Преобразователь тока в напряжение

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T), а обратная ему величина – частотой (f). Буквенное обозначение переменного тока – АС, сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

̴

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз		Однофазный
		Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3).

Графики напряжений трехфазного переменного тока

Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нулем – фазным, оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения. Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Характеристики трехфазного тока

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров, простейшим из них является конденсатор. Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Схема простейшего выпрямителяГрафики работы выпрямителя

Для преобразования в переменный ток используются инверторы. Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Оцените качество статьи. Нам важно ваше мнение:

Энергетический резерв для дома и предприятия

Накопитель энергии позволяет осуществлять бесперебойное электроснабжение в случае критического падения, понижения или полного отсутствия напряжения в сети. Интегрированные в нашу инженерную систему батареи накапливают электроэнергию в период отсутствия пиковой нагрузки или при наличии во внешней сети и отдают энергию при необходимости в системах:

1. увеличения мощности;
2. бесперебойного электроснабжения;
3. автономного электроснабжения, компенсируя работу сети и экономя ресурс генератора.

Накопители энергии (АКБ) — наиболее важный компонент системы бесперебойного энергоснабжения и наращивания мощности: технические характеристики, качество и эффективность АКБ определяют ее потенциал в наращивании мощности. Суммарная емкость АКБ определяет время автономной работы. От типа используемых батарей зависит:

• периодичность ТО;
• экологическая безопасность;
• срок эксплуатации.

Являясь, по сути, научно-производственным предприятием, наша компания разработала патентованную схему, согласно которой, специально для наших систем, изготавливаются все задействованные в них батареи. Их производят и собирают в России на сертифицированных автоматизированных линиях ведущих мировых производителей по современным стандартам: вся продукция имеет сертификаты безопасности IATA, FAA и ВНИИПО.

В своей работе мы используем батареи:

• литий — ионные;
• свинцово кислотные;
• гелевые;
• никель кадмиевые;

Экономическое сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных батарей, применяемых в ИБП.

АКБ от компании «Силовая электроника» — это идеальный инструмент для накопления электроэнергии.

Технические преимущества наших батарей

• не требуют долива воды и специального обслуживания в течение всего срока работы;
• исключена вероятность расплескивания электролита;
• работают в любом положении (кроме «вниз головой»);
• полностью восстанавливаются из состояния глубокого разряда, даже если зарядка не началась немедленно после разрядки;
• сохраняют высокую надежность работы даже в режиме интенсивного циклирования;
• справляются с нагрузкой в условиях повышенной температуры;
• пригодны для использования в условиях нестабильного электропитания от сети;
• исключено расслоение вследствие неподвижности электролита;
• не требуют применения уравнительного заряда;
• обладают пониженным саморазрядом;
• защита анодов, увеличение срока эксплуатации при циклировании, благодаря закрытой конструкции;
• снижение коррозии решетки, благодаря использованию панцирных продолжительных электродов;
• низкое внутренне сопротивление, улучшающее восприимчивость к подзарядке;
• возможность сократить уровень потери воды при выборе правильного режима зарядки;
• высокие эксплуатационные качества, обусловленные использованием полимерного сепаратора (стекловолокно), включая защиту от короткого замыкания;
• повышенный уровень стойкости к неоптимальным параметрам зарядки;
• возможность использования при неполном заряде без потерь для емкости АКБ;
• долговечность (срок эксплуатации порядка 15 лет при цикличном режиме работы);
• значительный запас емкости (на 12-15% больше, чем у аналогов), благодаря большой удельной поверхности электродов и превышению их веса на 10-12%;
• экологичность — крайне незначительное газовыделение обеспечено легированием токоотводов оловом и кальцием. Это позволяет уменьшить перенапряжение водорода в цикле заряда-разряда.

Зависимость ресурса батареи (в циклах заряда-разряда) от глубины разряда

Литий-ионные аккумуляторы

Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик.

Накопитель электрической энергии на основе лития — абсолютный лидер рынка и останется таковым в течение ближайшего десятилетия. Все дело в способности лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала. Высокая реактивность лития позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии служит идеальным ее накопителем.

Литий-ионные аккумуляторы

от 20 Ач до 770 Ач

Три способа накопления и сохранения энергии в химических источниках тока:

1. Анод и катод работают против электролита (свинцово-кислотные батареи): При гальванической реакции и разряженной батарее — это вода и сульфат свинца, при заряженной — серная кислота и свинец. Эти батареи обычно используются в качестве ИБП, так как имеют ограниченное количество циклов и небольшой ток заряда. Эксплуатация предусмотрена только внутри отапливаемого помещения.

2. В никель-кадмиевых аккумуляторах анод и катод работают друг против друга, а щелочная среда служит проводником ионов и электронов. Эти батареи обладают относительно низкой энергетической плотностью. Наличие эффекта памяти и токсичность применяемых материалов существенно ограничивает область их применения.
3. Интеркаляция ионов лития с одной пластины на другую без участия жидкого электролита — это литий-ионные АКБ.

Особенность этого способа можно объяснить на примере взаимодействий медоносных пчел. Мигрируя от одного улья в другой, рой сохраняет свою численность, несмотря на многоразовые перелеты. Количество мигрирующих пчел определяется микроконтроллером, задача которого сохранить число особей внутри роя неизменным. Компания «Силовая электроника» использует уникальную патентованную систему управления зарядом литий-ионных аккумуляторов (BMS).

Внутренняя система контроля предохраняет каждый аккумулятор от перезаряда. Она предназначена для обеспечения оптимального заряда. В случае перезаряда в АКБ могут начаться необратимые процессы из-за вступления в реакцию активной массы батареи.

Технические преимущества литий-ионных АКБ:

• токи заряда и разряда беспрецедентно высоки;
• батарея теряет только порядка 2% от первоначального заряда в месяц (щелочные и кислотные аналоги — 20%);
• быстрое восстановление после полного разряда;
• отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда);
• высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
• допустима эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).

Электрические характеристики литий ионных аккумуляторов
Номинальная емкость, А*ч	от 20 до 770
Номинальное напряжение, В	3,2
Удельная энергия по массе, Вт.ч/кг	90
Рекомендованные режимы эксплуатации
Непрерывный разряд, C	0,5
Ток заряда, C	0,5
Заряд при температуре, °С	от 0 до +30
Разряд при температуре, °С	от -20 до +30
Предельные рабочие режимы
Непрерывный разряд, C	3
Ток заряда, C	3
Максимальное напряжение заряда, В	3,9
Минимальное напряжение на аккумуляторе, В	2,5
Заряд при температуре, °С	от 0 до +50
Разряд при температуре, °С	от -40 до +50
Габаритные характеристики
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Хранение при температуре, °С	от 0 до +40
Ресурс, заряд/разряд при глубине разрядки до 80%, циклов	>5000
Саморазряд полностью заряженного аккумулятора при 28-сут. хранении (+25°С), % в месяц	<1

Мы предлагаем оптимальные варианты использования современных аккумуляторов для решения ваших проблем энергообеспечения. Ознакомьтесь с примерами наших работ, где наглядно представлены некоторые варианты наших решений.

Если остались вопросы — звоните нам: +7 (495) 966-01-07. Компания «Силовая электроника» — ваш надежный энергетический партнер!

Полезная информация:

• купить генератор тока
• качество электроэнергии
• стабилизаторы напряжения однофазные отзывы

Сравнение линейных и импульсных регуляторов напряжения в промышленных приложениях с шиной 24 В

В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения.

Условия сравнения

Рисунок 1.	Импульсный понижающий регулятор с интегрированными MOSFET.

Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе.

Рисунок 2.	Интегральный линейный регулятор с широким диапазоном входных напряжений.

В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый Texas Instruments синхронный понижающий преобразователь TPS54061 с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3.

Рисунок 3.	Дискретный линейный регулятор.

Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе LM317 с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak).

Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора.

Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы.

Таблица 1.	Площадь платы и количество компонентов.
Тип регулятора Площадь платы (см2) Количество компонентов Сложность Импульсный (TPS54061) 0.9 11 Высокая Линейный интегральный (LM317) 14.5 5 Низкая Линейный дискретный (Стабилитрон/Транзистор) 14.5 8 Средняя

Вследствие необходимости обеспечения надлежащего температурного рельефа на печатной плате, линейные регуляторы требуют большей площади. При максимальной нагрузке каждый линейный регулятор должен рассеивать мощность порядка 2 В. Согласно эмпирическому правилу, каждый ватт мощности, рассеваемый на участке печатной платы размером 1 × 2 дюйма, повышает ее температуру на 100 °C. Линейные регуляторы конструируются таким образом, чтобы их перегрев не превышал 40 °C. Безусловно, при ограниченной площади печатной платы предпочтительным будет синхронный понижающий преобразователь, даже, несмотря на увеличенное количество внешних компонентов и сложность расчетов схемы частотной компенсации цепи обратной связи и величины индуктивности.

Тепловые характеристики

Рисунок 4.	Тепло, выделяемое каждой схемой (белый цвет соответствует наиболее высокой температуре).

Термограмма на Рисунке 4 показывает температурный профиль каждой из трех схем, размещенных на печатной плате. Плата сконструирована таким образом, чтобы ни одна схема не влияла на тепловые характеристики соседней схемы. Из Таблицы 2 видно, что импульсный регулятор работает с наименьшим перегревом, равным 11 °C. Вследствие большой разницы между входными и выходными напряжениями, импульсный регулятор с синхронным выпрямлением по эффективности превосходит любую из линейных схем (Таблица 3). Обратите внимание, перегрев схемы интегрального линейного регулятора отличается от перегрева дискретной линейной схемы. Это связано с тем, что корпус интегрального регулятора (DDPak) крупнее, и рассеиваемое им тепло распределяется по большей площади. Используемые в дискретной линейной схеме корпуса SOT-23 и SOT223 меньше, чем DDPak, что делает отвод тепла более сложным.

Таблица 2.	Сводка тепловых характеристик.
Тип регулятора Температура перегрева (°C) Максимальная температура (°C) Корпус Импульсный 11 40.7 VSON 3×3 мм Линейный интегральный 27 56.2 DDPak Линейный дискретный 40 69.1 SOT-23, SOT223

Сравнение эффективности

Рисунок 5.	Зависимость КПД от тока нагрузки.

Тепловые характеристики каждого регулятора непосредственно связаны с его КПД. Сравнить КПД трех схем позволяет Рисунок 5. Как и следовало ожидать, импульсный регулятор здесь вне конкуренции – и при легких нагрузках, и при максимальных. При облегченных нагрузках доминируют потери переключения и собственный ток потребления, чем и объясняется снижение КПД при малых выходных токах. При легких нагрузках лучше рассматривать графики потерь мощности (Рисунок 6), чем КПД, поскольку двукратное различие в КПД при токе 10 мА выглядит слишком большим. В то же время, величина тока, потребляемого нагрузкой, очень мала. При входном напряжении 24 В и выходном токе 10 мА потери мощности в импульсном регуляторе составляют 2.8 мВт, а в интегральном линейном – 345 мВт. При максимальной нагрузке измеренные потери мощности равны 0.093 Вт для импульсного регулятора и 2.06 Вт для линейного.

Рисунок 6.	Зависимость мощности потерь от тока нагрузки.

В Таблице 3 собраны результаты измерений КПД и потерь мощности для всех трех схем. Можно заметить, что собственный ток потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у его интегрального аналога. Интегральный линейный регулятор содержит больше расходующих энергию внутренних цепей, но при этом он выполняет больше функций, чем дискретный.

Таблица 3.	Эффективность и потери мощности.
Тип регулятора С максимальной нагрузкой Без нагрузки КПД (%) Потеримощности (Вт) Собственныйток потребления (мА) Импульсный 84.5 0.093 0.5 Линейный интегральный 20.0 2.06 5.5 Линейный дискретный 20.1 2.02 4

Выходные характеристики

Аналоговые схемы могут быть чувствительными к пульсациям питания, а цифровые процессоры – к точности поддержания напряжения питания ядра. Поэтому важно сравнить наши схемы по таким параметрам, как пульсации на выходе, точность стабилизации напряжения и реакция на скачкообразное изменение нагрузки. Линейные регуляторы по самой своей природе отличаются малыми пульсациями, и часто используются для удаления шумов импульсных преобразователей.

Пульсации напряжения обеих схем линейных регуляторов при максимальной нагрузке не превышают 10 мВ. В долях от выходного напряжения это лучше, чем 0.2%. С другой стороны, пульсации импульсного преобразователи достигают 75 мВ, или 1.5% от выходного напряжения. Уменьшить пульсации в схеме импульсного регулятора позволяет низкое эквивалентное последовательное сопротивление выходного керамического конденсатора.

Рисунок 7.	Переходный режим в импульсном регуляторе при изменении нагрузки.

При сравнении точности стабилизации выходных напряжении во всем диапазоне нагрузок выигрывает импульсный регулятор. Из справочных данных на использованные компоненты видно, что источник опорного напряжения (ИОН) импульсного преобразователя характеризуется наилучшей точностью. Импульсные регуляторы являются относительно новыми интегральными схемами, и качество их ИОН постоянно улучшается. Дискретная линейная схема, в которой использован простейший метод стабилизации выходного напряжения, имеет наихудшие характеристики. Однако часто от источника 5 В и не требуется высокой точности, особенно, если это напряжение является входным для регуляторов следующего уровня.

Рисунок 8.	Переходный режим в линейном регуляторе при изменении нагрузки.

Осциллограммы выходных напряжений и токов в переходных режимах можно увидеть на Рисунках 7-9. Хотя точность поддержания напряжения у импульсного регулятора высока, его переходные характеристики намного хуже, чем у линейных схем. Измеренный от пика до пика отклик импульсного регулятора на скачок тока нагрузки от 50 до 100 мА составляет 250 мВ, или 5% от выходного напряжения, против 40 мВ у линейных схем. Уменьшить выбросы напряжения на нагрузке импульсного регулятора можно с помощью дополнительного выходного конденсатора, однако это приведет к росту цены и размеров. Следует отметить, что дискретная линейная схема не рассчитана на стабилизацию выходного напряжения во время переходных процессов в нагрузке. Кроме того, простота схемы не позволяет реализовать функции ограничения тока или защитного отключения при перегреве.

Рисунок 9.	Переходный режим в дискретном линейном регуляторе при изменении нагрузки.

В Таблице 4 собраны характеристики выходного напряжения для трех схем регуляторов.

Таблица 4.	Сводка характеристик выходного напряжения.
Тип регулятора Максимальные пульсации выходного напряжения (мВ) Выброс на выходе при скачке тока нагрузки от 50 до 100 мА (мВ) Погрешность регулирования при скачке тока нагрузки от 0 до 100 мА (мВ) Импульсный 75 250 1.5 Линейный интегральный <10 40 0.7 Линейный дискретный <10 40 21.8

Сравнение стоимости

Большинство используемых в схемах внешних компонентов – это пассивные резисторы и конденсаторы, стоящие намного меньше $0.01. Самыми дорогими во всех трех схемах являются кремниевые приборы. Приведенные в Таблице 5 данные по стоимости комплектующих для всех вариантов схемы собраны в США по каналам дистрибуции на основе розничных цен, рекомендованных для партий из 10,000 компонентов. Как видим, оба линейных регулятора намного дешевле импульсного. К сожалению, для импульсного регулятора необходима внешняя индуктивность, которая может стоить порядка $0.10, однако дополнительные расходы могут быть оправданы улучшением КПД и габаритных характеристик. Разница в ценах линейных схем составляет всего лишь $0.06! При выборе между интегральным и дискретным линейным регулятором первый может оказаться предпочтительнее вследствие наличия встроенных цепей защиты.

Таблица 5.	Стоимость материалов
Тип регулятора Стоимость компонентов при покупке партиями из 10,000 шт. долл. США Импульсный 1.80 Линейный интегральный 0.32 Линейный дискретный 0.26

Заключение

В распоряжении разработчиков источников питания имеется большой выбор технических решений. Какое будет лучшим – зависит от требований, предъявляемых к конкретному приложению. Системы управления питанием, потребляющие меньше энергии и занимающие меньше места на плате, позволяют разработчикам сделать их продукты более индивидуальными и привлекательными для рынка. Синхронные понижающие преобразователи радикально отличаются от линейных регуляторов эффективностью и компактностью. Если на первое место выдвигается цена решения, возможно, будет целесообразным использование дискретного линейного регулятора, однако платой за это станут более плохие характеристики, отсутствие защитных функций и, вполне вероятно, дополнительные затраты на теплоотвод.

Таблица 6.	Характеристики регуляторов 5 В/100 мА при входном напряжении 24 В
Тип регулятора Стоимость компонентов при покупке партиями из 10,000 шт. долл. США Пульсации выходного напряжения (мВ) КПД при полной нагрузке (%) Площадь платы (см2) Сложность Импульсный 1.80 75 84.5 0.9 Высокая Линейный интегральный 0.32 <10 20.0 14.5 Низкая Линейный дискретный 0.26 <10 20.1 14.5 Средняя

Полный набор характеристик всех трех регуляторов, необходимых разработчику для выбора варианта, наилучшим образом отвечающего требованиям создаваемого им приложения, приведен в Таблице 6.

Ссылки

>Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 2.

Высокочастотный преобразователь (инвертор)

• Первая часть: «Схемотехника блоков питания персональных компьютеров».

В первой части нашего рассказа о схемотехнике блоков питания персональных компьютеров мы познакомились со схемой входного сетевого выпрямителя и фильтра. Давайте продолжим изучение компьютерного блока питания. Здесь мы разберёмся в том, как работает высокочастотный преобразователь – инвертор.

Постоянное напряжение 310 вольт, снимаемое с сетевого выпрямителя, подаётся на высокочастотный преобразователь. Высокочастотный преобразователь — это двухтактный инвертор, выполненный по схеме полумоста. Преобразователь работает на частоте в десятки килогерц и нагружен на высокочастотный силовой трансформатор.

Частота преобразования выбирается порядка 18 – 50 КГц, что подразумевает маленькие размеры силового трансформатора и небольшие величины ёмкостей конденсаторов фильтров. Один из плюсов импульсного блока питания является высокий КПД, достигающий 80% и экономичность, поскольку блок потребляет энергию только в то время, когда один из транзисторов преобразователя открыт. Когда он закрыт, энергию на нагрузку отдаёт конденсатор фильтра вторичной цепи.

Управление полумостовым инвертором осуществляется ШИМ-контроллером (Узел управления). Об узле управления блоком питания будет рассказано в следующей части.

Итак, высокочастотный преобразователь работает следующим образом: на него приходит постоянное напряжение 310 вольт с сетевого выпрямителя и конденсаторов фильтра. Одновременно в базовые цепи мощных транзисторов подаются прямоугольные импульсы положительной полярности и с частотой следования допустим 20 кГц. С этой частотой транзисторы как ключевые элементы открываются и закрываются.

На первичной обмотке трансформатора Т2 присутствует импульсное высокое напряжение с той же частотой 20 кГц. Трансформатор, естественно, понижающий и на его вторичных обмотках, которых несколько, формируются все необходимые для работы компьютера питающие напряжения, после этого все напряжения выпрямляются, фильтруются и подаются на системную плату.

Мощные ключевые транзисторы инвертора являются своеобразными «мускулами» блока питания. Именно через ключевые транзисторы инвертора «прокачивается» вся мощность, которая потребляется компьютером. Ключевые транзисторы устанавливаются на радиатор для принудительного охлаждения во время работы, а сам радиатор обдувается вентилятором.

В качестве ключевых транзисторов инвертора могут применяться как биполярные, так и полевые MOSFET транзисторы. Обычно же используются биполярные транзисторы.

Взглянем на схему. На ней изображена часть схемы ИБП марки GT-150W.

Биполярные транзисторы VT1 и VT2 поочерёдно открываются с частотой в десятки килогерц. Трансформатор T2 — импульсный силовой трансформатор. Он же обеспечивает гальваническую развязку от электросети. Импульсный силовой трансформатор заметно выделяется на фоне других трансформаторов, установленных на печатной плате. Найти его не сложно.

Со вторичных обмоток трансформатора T2 снимается пониженное переменное напряжение. На схеме показаны элементы одного из выходных выпрямителей +12 вольт (VD6, VD7, L1, C5). Электролитические конденсаторы C6, C7 — это конденсаторы сетевого фильтра и выпрямителя, речь о котором шла в первой части.

Трансформатор T1 — согласующий. Он является промежуточным звеном между микросхемой ШИМ-контроллера и мощными ключевыми транзисторами VT1, VT2. Габариты его заметно меньше, чем у трансформатора T2. Диоды VD4 и VD5 предохраняют мощные транзисторы от напряжения обратной полярности. У мощных полевых транзисторов эти диоды, как правило, уже встроены, поэтому на печатной плате диоды VD4, VD5 можно и не обнаружить. Так же защитные диоды встраивают в некоторые мощные биполярные транзисторы. Всё зависит от марки транзистора.

Схема запуска.

Узел управления инвертора питается выходным напряжением блока, но в момент включения все напряжения отсутствуют. Начальный запуск может осуществляться разными способами. Рассмотрим более подробно схему запуска инвертора, которая «заводит» мощный каскад инвертора.

После включения блока питания на базы транзисторов VT1, VT2 подаётся напряжение через делитель, выполненный на резисторах R3 — R6. При этом транзисторы «приоткрываются». При этом ещё начинается заряд конденсатора C4. Ток заряда конденсатора C4 проходя через часть вторичной обмотки (II) трансформатора T1 наводит в ней (обмотке II) и обмотке III напряжение. Это напряжение открывает один из транзисторов (VT1 или VT2). Какой именно из транзисторов откроется зависит от характеристик элементов каскада.

В результате открытия одного из ключевых транзисторов во вторичной обмотке трансформатора T2 появляется импульс тока, который проходит через один из диодов (VD6 или VD7) и заряжает конденсатор C3. Напряжения на C3 достаточно для питания узла управления в момент пуска инвертора. Далее в работу включается узел управления, который и начинает управлять транзисторами VT1 и VT2 в штатном режиме.

Вот так хитроумно реализована схема запуска инвертора.

В мощном каскаде наиболее частой неисправностью является выход из строя транзисторов, поскольку они работают в достаточно тяжёлом тепловом режиме. Ну, и, конечно, слабое звено это электролитические конденсаторы, которые со временем «высыхают» и теряют ёмкость. Также элктролиты выходят из строя из-за превышения рабочего напряжения.

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

Инвертирующий преобразователь

15.

16. В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.

17. Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем см. синхронное выпрямление (англ.)

4. Инве́ртор — устройство для преобразования постоянного в переменный ток с изменением величины частоты и/илинапряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Однофазные инверторы

Инвертор автомобильный. Преобразует постоянное напряжение бортовой сети (12В) в переменное напряжение бытовой электросети (220В).

Синусоида, снятая в сети 220. Верхушки срезаны из-за большого числа импульсных преобразователей

Модифицированный синус, снятый с ИБП, работающего от аккумулятора

Существуют несколько групп инверторов, которые различаются по стоимости примерно в 15 раз:

· Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синусоидальное выходное напряжение.

· Вторая группа обеспечивает выходное напряжение упрощённой формы, заменяющей синусоиду. Чаще всего используется сигнал в виде трапецеидального синуса

Для подавляющего большинства бытовых приборов допустимо использовать переменное напряжение с упрощённой формой сигнала. Синусоида важна только для некоторых телекоммуникационных, измерительных, лабораторных приборов, медицинской аппаратуры, а также профессиональной аудио аппаратуры. Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц.

Существуют три режима работы инвертора:

· Режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.

· Режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.

· Режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок.

В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 1,5-2 раза превышающую номинальную. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника.

 

Инвертора мощностью 150 Вт достаточно, чтобы запитать от бортовой электросети автомобиля практически любой ноутбук. Для питания и зарядки мобильных телефонов, аудио и фотоаппаратуры хватит 7,5 Вт.

Трёхфазные инверторы

Тиристорный (GTO) тяговый преобразователь по схеме «Ларионов-звезда»

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора.

Высокомощные трёхфазные инверторы применяются в тяговых преобразователях в электроприводе локомотивов,теплоходов, троллейбусов (например, АКСМ-321), трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева).

На рисунке приведена схема тиристорного тягового преобразователя по схеме «Ларионов-звезда». Теоретически возможна и другая разновидность схемы Ларионова «Ларионов-треугольник», но она имеет другие характеристики (эквивалентное внутреннее активное сопротивление, потери в меди и др.).

5.Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.

6.Регуляторами переменного напряжения в силовой электронике называются преобразователи переменного напряжения в переменное же напряжение той же частоты, но с регулируемой величиной напряжения. Они позволяют плавно, бесконтактно, быстро изменять переменное напряжение на нагрузке в отличие от громоздких, инерционных традиционных устройств его регулирования на основе трансформаторов с переключением отводов, автотрансформаторов, управляемых реактивных балластных сопротивлений (реакторов, конденсаторов).

Можно выделить следующие типы регуляторов переменного напряжения.

1. С фазовым способом регулирования переменного напряжения и естественной коммутацией. Эти регуляторы выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), и поэтому они самые простые и дешевые, но имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока.

2. По принципу вольтодобавки, когда последовательно с источником переменного входного напряжения вводится дополнительное напряжение, так что напряжение на нагрузке определяется векторной суммой двух указанных напряжений. Напряжение вольтодобавки, как правило, вводится с помощью трансформатора. Возможны две разновидности устройств вольтодобавки. В первом варианте устройство пропускает через себя активную и реактивную мощности, создаваемые от взаимодействия напряжения вольтодобавки с током нагрузки. Во втором варианте устройство вольтодобавки пропускает через себя только реактивную мощность, что уменьшает потери в нем и не требует для его питания источника активной мощности. Первый вариант устройств может быть выполнен на вентилях с неполным управлением и используется при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке.

Второй вариант устройств выполняется на вентилях с полным управлением.

3. С широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения. Эти регуляторы выполняются на вентилях с полным управлением, они более сложные и дорогие, чем первые два типа, но могут обеспечивать высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока во всем диапазоне регулирования.

4. С управляемым высокочастотным обменом энергией между накопительными элементами. Они позволяют в бестрансформаторном варианте получать выходное напряжение как больше, так и меньше входного при высоком качестве выходного напряжения и потребляемого из сети тока. Такие регуляторы предназначены в первую очередь для питания ответственных электропотребителей.

7.Преобразователи частоты

1) в электротехнике — устройство для изменения частоты электрического напряжения (тока). Применяется в системах питания регулируемого электропривода и магнитных усилителей, для согласования двух или более систем переменного тока с различной частотой и т.д. Различают П. ч. статические (ПС), электромашинные (ПЧМ) и комбинированные. ПС разделяют в свою очередь на электромагнитные (ПЧЭ) и вентильные (ПЧВ).

Действие ПЧЭ основано на изменении формы переменного синусоидального напряжения при помощи магнитных нелинейных элементов, например дросселей и трансформаторов с насыщающимися сердечниками, с последующим выделением составляющей напряжения требуемой частоты. ПЧЭ служат делителями и умножителями частоты; кпд ПЧЭ 70—80%. В ПЧВ в качестве вентилей обычно применяют транзисторы и тиристоры, сменившие тиратроны и ртутные вентили. Транзисторные ПС используют в основном в радиотехнических устройствах, их мощность до 2—3 ква. Тиристорные ПС бывают трёх типов: с непосредственной связью, с промежуточным звеном постоянного тока и с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты. ПС с непосредственной связью (к числу которых можно отнести и выпрямители тока (См. Выпрямитель тока)) применяют в мощных промышленных электроприводах переменного тока, электроприводах переменного тока автономных энергосистем с генераторами повышенной частоты, в устройствах централизованного электроснабжения пассажирских поездов. Кпд таких ПС достигает 95—98%. ПС с промежуточным звеном постоянного тока представляет собой двухзвенный П. ч., во входном звене которого установлен выпрямитель, а в выходном — автономный Инвертор. Такие ПС применяют в промышленных и тяговых электроприводах переменного тока мощностью до 3—5 Мва, когда требуется плавное регулирование частоты и напряжения. Их кпд несколько ниже, чем у предыдущих. Менее распространены ПС с промежуточным звеном с повышенной по сравнению с питающей частотой. В таких ПС во входном звене установлен автономный инвертор, а в выходном — ПС с непосредственной связью. К промежуточным шинам переменного тока могут подключаться потребители электроэнергии, работающие на повышенной частоте. Кпд ПС этого типа ниже, чем кпд ПС с промежуточным звеном постоянного тока.

ПЧМ конструктивно могут выполняться в двух вариантах: двухмашинном и одномашинном. В двухмашинном ПЧМ обычно применяют сочетание приводного электродвигателя и генератора переменного или постоянного тока (см. Двигатель-генераторный агрегат). Двухмашинные ПЧМ с синхронным генератором тока с частотой от 50 до 400 гц применяют в автономных энергосистемах; их кпд достигает 85%, мощность от 30 до 800 ква. ПЧМ могут также выполняться в виде одной электрической машины с общим якорем (см. Одноякорный преобразователь).

8. Стабилизирующий источник питания — устройство, предназначенное для обеспечения различных устройств стабильным электрическим питанием.

9.Системы бесперебойного электропитания — устройства, основной задачей которых является удержание параметров питающего напряжения большой группы оборудования в заданных пределах при отклонениях параметров напряжения электрической сети и, как следствие, защита электронных приборов по цепи питания. Параметрами, заслуживающими отдельного рассмотрения, являются частота и форма питающего напряжения. Снижение частоты приводит к потерям при передаче электроэнергии (понижение частоты в сети на 0,1% приводит к потере 10% мощности). Отклонение формы напряжения от синусоидальной также вызывает потери. Мы становимся свидетелями снижения частоты до критической нижней отметки, ниже которой ситуация в сетях становится катастрофической. Процессы отключения при таких авариях становятся неуправляемыми, т.к. отключаются большие группы потребителей и неизвестно на каком из них рассеется огромная энергия запасенная в сети. Потери возникают как по вине коммунальных служб, так и по вине потребителей. Уменьшить потери и, соответственно, издержки потребителю позволяет применение отдельных ИБП или систем гарантированного электропитания.