Все о преобразователе напряжения — понятие, характеристики и принцип действия

Как устроен прибор

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

• Инвертирующие.
• Повышающие.
• Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

• Ключевой коммутирующий элемент.
• Источник питания.
• Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
• Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
• Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Материал по теме: Что называют триггером в электронике.

Линейные и импульсные преобразователи

Рассматривая особенности применения преобразователей, будет полезно обратить внимание на классификацию, по которой они подразделяются на линейные и импульсные. По сути, данные критерии отражают два важнейших принципа функционирования преобразователей

Те, что относятся к линейным, могут работать по принципу аналоговой схемотехники, в рамках которого преобразуемые сигналы формируются плавными темпами. Импульсный преобразователь предполагает более активное представление сигналов как на выходе, так и при внутренней их обработке. Однако в случае если данная операция осуществляется лишь на внутреннем этапе обработки сигналов, соответствующее устройство может формировать фактически те же показатели, что и в случае, когда задействуется линейный преобразователь. Таким образом, понятие линейной либо импульсной обработки может рассматриваться только лишь в контексте принципа действия ключевых аппаратных компонентов девайса соответствующего типа.

Импульсные преобразователи в основном задействуются в тех случаях, когда в составе используемой инфраструктуры предполагается обработка сигналов большой мощности. Это связано с тем, что КПД соответствующих устройств в подобных случаях значительно выше, чем при их использовании в целях обработки сигналов меньшей мощности. Еще один фактор выбора данных решений — задействование трансформаторных или же конденсаторных устройств в составе используемой инфраструктуры, с которыми импульсные преобразователи имеют оптимальную совместимость.

В свою очередь, линейный преобразователь — это устройство, которое применяется в рамках инфраструктуры, в которой осуществляется обработка сигналов небольшой мощности. Либо если есть необходимость снизить помехи, образующиеся вследствие работы преобразователя. Стоит отметить, что КПД рассматриваемых решений в инфраструктуре большой мощности — не самый выдающийся, поэтому данные устройства чаще всего выделяют больший объем тепла, чем импульсные преобразователи. Кроме того, их вес и габариты также существенно больше.

Но, так или иначе, на практике функционирование преобразователя по импульсному принципу может предполагать формирование его передаточной функции в линейном виде. Поэтому, прежде чем внедрять соответствующие преобразователи сигналов в состав инфраструктуры, следует рассмотреть их внутреннюю структуру на предмет применяемой схемы обработки сигналов.

Что какое преобразователь напряжения

Преобразователь – это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или показателей качества в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами электрической энергии могут являться род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения. По степени управляемости преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые. В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота — могут регулироваться.

По элементной базе преобразователи электроэнергии подразделяются на электромашинные (вращающиеся) и полупроводниковые (статические). Электромашинные преобразователи реализуются на основе применения электрических машин и в настоящее время находят относительно редкое применение в электроприводах. Полупроводниковые преобразователи могут быть диодными, тиристорными и транзисторными.

По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи подразделяются на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока.

В современных автоматизированных электроприводах применяются главным образом полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи постоянного и переменного тока. Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и КПД, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого электрического привода, так и технологического оборудования.

Вместе с тем, для полупроводниковых преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся: высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току, напряжению и скорости их изменения, низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.

Как обозначаются конденсаторы на схеме.

Читать далее

Как отличается параллельное и последовательное соединение резисторов.

Читать далее

Масляные трансформаторы – что это такое, устройство и принцип работы.

Читать далее

Классификация

По характеру преобразования

Выпрямители

Основная статья: Выпрямитель
Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.

Инверторы

Основная статья: Инвертор (электротехника)

Инвертор

— устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью

(зависимые) и
автономные
.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы

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

Автономные инверторы

Автономные инверторы

— устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

• АИН
• АИТ
• АИР

Преобразователи частоты

Основная статья: Преобразователь частоты

Преобразователь частоты

— вторичный источник электропитания, вырабатывающий переменный электрический ток с частотой, отличной от частоты тока исходного источника.

Преобразователи напряжения

• блоки питания: источники бесперебойного питания

1. Импульсные (на постоянном токе)
2. Фазовые (на переменном токе)

• Управляемые
• Неуправляемые

Особенности применения

На данный момент подобное оборудование используется практически во всех отраслях промышленности и с каждым днем находит все большее применение в жизни каждого человека, в частности в составе оборудования легковых или грузовых автомобилей. Рабочая частота инверторов напряжения (преобразователей напряжения) не превышает ста килогерц. Плюс ко всему, преобразователь напряжения (инвертор напряжения) может использоваться как генератор. В принципе, генератор и инвертор достаточно схожи, однако не стоит считать, что данные виды оборудования одинаковы по назначению и по принципу действия.

В схемах генератора и преобразователя напряжения имеются существенные отличия. Кроме того, по сравнению с дизельным или бензиновым генератором инвертор напряжения (преобразователь напряжения) имеет целый ряд преимуществ, в частности:

• инвертор напряжения (преобразователь напряжения) имеет значительно меньшие габариты и вес;
• у инвертора напряжения (преобразователя напряжения) отсутствует необходимость постоянного контроля целого перечня параметров, обязательного при эксплуатации дизельных электростанций или бензиновых генераторов. Среди этих параметров уровень топлива, уровень и давление масла двигателя, температура и уровень охлаждающей жидкости. Все эти параметры, например, при работе инвертора напряжения (преобразователя напряжения) от автомобильного двигателя контролируются независимо, кроме того, при относительно маломощных потребителях (скажем, до 1000 Вт) длительное время включение автомобильного генератора вообще не требуется и, естественно, топливо не расходуется;
• на холостом ходу инвертор напряжения (преобразователь напряжения) имеет просто мизерное потребление энергии (около 5 Вт), в отличие от дизельного или бензинового генератора, расходующих на холостом ходу до пятидесяти процентов от расхода при максимальной нагрузке;
• отсутствие механического износа, соответственно, лучшая отказоустойчивость и больший ресурс работы;
• колебание выходной частоты у инвертора напряжения (преобразователя напряжения) минимально и, как правило, не превышает сотых долей процента;
• инвертор напряжения (преобразователь напряжения) экологичен (не шумит и не выделяет выхлопных газов) и позволяет подключать альтернативные источники энергии (например, и солнечные батареи или ветряные генераторы);
• инвертор напряжения (преобразователь напряжения) может использоваться как пуско-зарядное устройство, как источник бесперебойного питания, как восстановитель аккумуляторов;
• ну и, наконец, инвертор напряжения (преобразователь напряжения) просто существенно (до нескольких раз!) дешевле.

Перечень потенциальных пользователей инверторов напряжения (преобразователей напряжения) может быть очень широк. Здесь и производители разнообразных работ в удаленных условиях или при частых отключениях электричества, и любители отдыха на природе, желающие сохранить возможность пользования «благами цивилизации», и предусмотрительные собственники различных производств или охраняемых объектов и т.д. и т.п.

Материал по теме: Принципы работы мультиметра и особенности выбора.

В частности, очень большие плюсы дает использование инверторов напряжения (преобразователей напряжения) совместно с разными автономными источниками электропитания, одна экономия топлива чего стоит, а к нему еще и хранимый «запас электричества», так сказать, на всякий случай.

Будет интересно➡ Зачем нужен преобразователь частоты

Правда, при выборе инверторов напряжения (преобразователей напряжения) необходимо помнить, что многие потребители электротока (особенно, холодильники и насосы) имеют пусковую мощность в несколько раз больше номинальной (обычно, можно посмотреть в паспорте устройства) и именно ее стоит брать за основу при расчете требуемого инвертора напряжения (преобразователя напряжения).

Преобразователь 24В в 12В

Применение многоуровневых инверторов [ править | править код ]

Многоуровневые инверторы включают в себя матрицу силовых полупроводников и конденсаторных источников напряжения, выход которых генерирует напряжения со ступенчатыми формами сигналов. Коммутация переключателей позволяет добавлять напряжения конденсатора, которые достигают высокого напряжения на выходе, в то время как силовые полупроводники должны выдерживать только пониженные напряжения. На рисунке справа показана принципиальная схема одного фазового отрезка инверторов с различным количеством уровней, для которых действует мощность полупроводников представленных идеальным выключателем с несколькими положениями.

Двухуровневый инвертор генерирует выходное напряжение с двумя значениями (уровнями) относительно отрицательного терминала конденсатора , в то время как трехуровневый инвертор генерирует три напряжения и так далее.

Представим, что m

является количеством шагов фазового напряжения относительно отрицательного терминала инвертора, тогда количество шагов в напряжении между двумя фазами загрузки
k
,

k = 2 m + 1

и количество шагов p

в фазовом напряжении трехфазной нагрузки в соединении

p = 2 k − 1

Имеется три различные топологии для многоуровневых инверторов: зафиксированная на диод (нейтрально зафиксированная) ; зафиксированная на конденсатор (навесные конденсаторы); и каскадно-расположенный многоэлементный с отдельными источниками постоянного тока .Кроме того, несколько модуляций и стратегий управления были разработаны или приняты для многоуровневых инверторов включая следующее: многоуровневая синусоидальная модуляция длительности импульса (PWM), многоуровневое выборочное гармоническое устранение и векторная пространством модуляция (SVM).

Основные положительные стороны многоуровневых инверторов заключаются в следующем:

1) Они могут генерировать выходные напряжения с чрезвычайно низким искажением и понизить dv/dt.

2) Они тянут входной ток с очень низким искажением.

3) Они генерируют меньшее напряжение общего режима (CM), таким образом уменьшая стресс в моторных подшипниках. Кроме того, с помощью сложных методов модуляции, напряжения CM могут быть устранены.

4) Они могут работать с более низкой частотой переключения.

Топология каскадных многоуровневых инверторов

Различная топология преобразователя представленная здесь, основывается на последовательном соединении однофазных инверторов с отдельными источниками постоянного тока. Рисунок справа показывает цепь электропитания для одного участка фазы девятиуровневого инвертора с четырьмя клетками в каждой фазе. Получающееся фазовое напряжение синтезируется добавлением напряжений, сгенерированных различными участками.

Каждый однофазный инвертор полного моста генерирует три напряжения на выводе: + Vdc, 0, и — Vdc. Это стало возможным путем подключения конденсаторов последовательно с ac стороной через четыре выключателя питания. Получающееся выходное колебание напряжения переменного тока от-4 Vdc до 4 Vdc с девятью уровнями и ступенчатой формой сигнала, почти синусоидальной, даже без применения фильтров.

Для преобразования электроэнергии, а точнее сказать, напряжения, можно использовать различные устройства, такие как трансформаторы, генераторы, зарядные устройства. Все они являются преобразователями электрической энергии. Так как для питания многих современных устройств нужно не только переменное, но и постоянное напряжение, то для этих целей не всегда есть возможность применять такой источник энергии, как аккумуляторная батарея. Именно она выдаёт идеальное постоянное напряжение путём химической реакции. Раньше для преобразования и понижения напряжения применялись только низкочастотные трансформаторы, работающие в паре с выпрямителем и сглаживающим фильтром. Однако они обладали очень большими габаритами. С ростом и развитием инновационных технологий в быту и на производстве стали появляться электронные устройства, требующие миниатюрных преобразовательных устройств. Так и появились импульсные преобразователи постоянного напряжения. Миниатюрность их требуется больше для переносных мобильных устройств, нежели для стационарных.

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

1. Повышающие, понижающие, инвертирующие;
2. Со стабилизацией и без неё;
3. С гальванической развязкой и без неё;
4. Регулируемые и нерегулируемые;
5. Обладающие различным диапазоном входного и выходного напряжения.

Однако импульсные преобразователи собраны на более сложных схемах, нежели их предшественники классические понижающие выпрямители.

Типы преобразователей

При выборе модели преобразователя надо также учиты­вать особенности потребления электроэнергии различны­ми приборами с учетом особенностей потребления электро­приборы можно условно разделить на 2 группы.

Первая группа – это электроприборы, при включении и в начале работы которых кратковременная мощность потребления (так называемая пиковая стартовая нагрузка) в несколько раз превышает номинальную мощность. К этой группе относятся, например насосы, компрессоры и холодильники, для их подключения, зачастую приходиться использовать развязывающие трансформаторы.

Комментарий эксперта

Лагутин Виталий Сергеевич

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

Реальная мощность некоторых приборов, например, насосов на основе двигателей асинхронного типа и оборудования на их основе (кондиционеров, холодильников), примерно в 1,5 раза больше номинальной, это связано с тем, что обычно указывается мощность без учета потерь (полезная мощность). Для приборов этой группы необходимо выбирать преобразователь напряжения с максимально допустимой мощностью, значительно превышающую номинальную мощность прибора.

Вторая группа – это электроприборы, стартовая мощность которых не превосходит номинальную, к ним относятся, потребляющие постоянную мощность телевизоры, компьютеры, лампы, нагреватели, а так же инструмент с двигателями коллекторного типа (дрели, отрезные машинки, рубанки, бетономешалки, газонокосилки и т.д.), которые потребляют номинальную мощность только в момент прикладывания нагрузки, для приборов этой группы достаточно выбирать преобразователь напряжения с максимально допустимой мощностью, немного превышающую номинальную мощность прибора.

Импульсные устройства

Импульсные преобразователи применяются в тех случаях, когда нужно преобразовать один уровень напряжения в другой. Чаще всего они собираются на базе индуктивных или емкостных накопителей энергии. От других источников электропитания их отличает высокий уровень КПД, достигающий в некоторых случаях 95%. Принципиальные электрические схемы импульсных преобразователей выполняются с использованием 4 х элементов:

• коммутирующий элемент;
• накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель, конденсаторы);
• блокирующий диод;
• конденсатор, соединенный параллельно с сопротивлением нагрузки.

Комбинации перечисленных компонентов могут образовывать любой тип импульсного конвертора. Величина напряжения на выходе определяется шириной импульсов, управляющих коммутирующим элементом. При этом создается запас энергии в катушке индуктивности. Стабилизация реализуется за счет обратной связи, то есть ширина импульсов меняется в зависимости от значения выходного напряжения.

Для создания токов высокой частоты используют преобразователи, собранные с использованием колебательных контуров. При этом напряжение постоянного тока, поступающее на генератор переменного напряжения (мультивибратор, триггер) является одновременно и питающим. Выходные импульсы имеют, как правило, прямоугольную форму. Полученное переменное напряжение можно усилить, понизить и т. д.

Кроме того его легко выпрямить и получить нужную полярность. Для этого используют соответствующее включение диодов, а выпрямитель собирают, например, по мостовой схеме. Напряжение на выходе импульсных преобразователей необходимо стабилизировать. Для этого используют различного рода стабилизаторы (импульсные или линейные). Правда, из-за низкого КПД последние используются редко.

Что касается импульсных стабилизаторов, то они в своей работе используют широтно или частотно импульсную модуляцию. В первом случае меняется длительность во втором — частота импульсов. Встречаются устройства с комбинированным способом стабилизации.

Автомобильные модели

С увеличением количества автомобилей возросла потребность использования в процессе их эксплуатации различных бытовых приборов, в том числе работающих от переменного напряжения 220В. Для этого и были разработаны автомобильные инверторы, с помощью которых постоянное напряжение от автомобильного аккумулятора +12 В (легковые автомобили) или +24 В (грузовой автотранспорт) преобразуется в переменное 220 В. К ним можно подключить электробритву или электродрель, зарядить ноутбук и пр.

Автомобильный инвертор является генератором напряжения, форма которого приближена к синусоиде. При этом ток на выходе прибора не зависит от величины тока на входе и его можно регулировать практически от нуля до максимума. Точно также теоретически можно регулировать частоту и напряжение. Упрощенно электрическую схему автомобильного конвертора можно представить в виде трансформатора, на первичные обмотки которого напряжение подается через тиристорные ключи. Поочередно включая обмотки тиристоры создают на выходе трансформатора переменный ток.

При этом формируется модифицированная (ступенчатая) синусоида, но это никак не влияет на работоспособность большинства бытовых приборов. Преобразователи для использования в автомобилях обладают достаточно высоким КПД, который достигает 90%, что свидетельствует о достаточно высоком качестве получаемой синусоиды. Потребитель в процессе эксплуатации прибора имеет возможность выбрать один из трех режимов его работы:

1. Рабочий режим, обеспечивающий длительную работу инвертора с номинальной мощностью.
2. Режим перегрузки, который позволяет получить от прибора значительно большую мощность, чем при работе в обычном режиме. Однако в таком режиме инвертор не должен работать более 30 мин.
3. Пусковой режим используется при необходимости получения моментальной мощности при высокой нагрузке (запуск электродвигателя и пр.).

Будет интересно➡ Как выбрать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Эксплуатируя инвертор, не рекомендуется постоянно включать его на максимальную мощность. Выбирать режим его работы необходимо, исходя из величины нагрузки. Выбирая конвертор для авто основное внимание необходимо обратить на его мощность. Ее величина должна быть заведомо больше мощности подключаемых устройств. Кроме того немаловажное значение имеет и тип подключаемых электроприборов. Если к автомобильному инвертору предполагается подключать приборы, потребляющие при запуске значительные токи, то приобретать нужно прибор, обладающий соответствующей мощностью (от 300 до 2000 Вт).

Бытовые приборы

В настоящее время широкое применение преобразователи напряжения нашли в быту. Их стали использовать в домашних условиях в качестве резервных или аварийных источников питания, задача которых обеспечить работу бытовой техники в случае несанкционированного отключения сети централизованного электропитания. Как правило, преобразователь напряжения для дома представляет собой комбинацию инвертора с одной или несколькими аккумуляторными батареями. В коттеджах и загородных домах (дачах) их дополняют также устройствами, способными заряжать аккумуляторы.

В отдельных случаях для этого могут использоваться солнечные батареи или ветрогенераторы. К инверторам, предназначенным для использования в домашних условиях, чаще всего подключают маломощную бытовую технику:

• телевизоры;
• компьютеры и пр.

При этом необходимо помнить об электроприборах, например, холодильниках, электронасосах и др., которым для работы необходима подача электропитания с «чистой синусоидой», что требует приобретения значительно более дорогих устройств. В местах, где отсутствует централизованная электросеть можно, рассчитав необходимую электрическую мощность, организовать систему электропитания целого дома. Однако это потребует приобретения достаточно дорогого оборудования.

Например, стоимость инвертора мощностью 10…60 кВт составляет не менее $20000. Использование подобного рода устройств целесообразно в случае организации систем электропитания на основе альтернативных источников энергии. Если сравнивать классический блок бесперебойного питания (UPS), работающий в режиме online, с преобразованием напряжения, то сочетание компонентов «аккумуляторная батарея+инвертор» выглядит предпочтительней по ряду причин, среди которых:

• щадящий режим работы аккумуляторов;
• большой выбор аккумуляторных батарей;
• возможность параллельного подключения нескольких преобразователей и пр.

На отечественном рынке электрооборудования импульсные преобразователи представлены в достаточно широком ассортименте. Продукция этих производителей отличается высоким качеством и обладает большим количеством различных функций. Так преобразователи типа DC/AC обеспечивают защиту рот глубокого разряда аккумуляторных батарей, контролируя величину минимального входного напряжения. Контролируют они и параметры выходного сигнала.

Дополнительный материал по теме: Как проверить АКБ с помощью одного мультиметра.

Бестрансформаторные устройства

Особенности преобразователя напряжения с 12 В в 220 В. В последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя.

Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор. Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства. Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения. Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Повышающий преобразователь и схема

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии. Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее. Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента. Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке. Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс. Основное их преимущество — это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал. Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия. Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

• Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
• Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
• В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
• Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
• Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
• В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

Зачем мировой практике разные напряжения

Электрификация в массовом порядке велась с начала XX века. Участвовало великое количество людей, каждый преследовал, помимо объективных, собственные интересы. Эдисон продвигал постоянное напряжение, Тесла назло – переменное. Доливо-Добровольский имел основания недолюбливать второго ученого (конфликт интересов в сфере трёхфазных сетей), возможно, частоту 50 Гц ввел наперекор США, Европа прислушалась к мнению более близкого той окрестности инженера.

Что касается СССР, нет сомнений: вольтаж на 220 вольт оставлен только из военных, стратегических соображений противостояния в холодной войне. Диаметр сигареты соответствовал калибру патрона для скорейшего перевода оборудования на выпуск специфической продукции.

Ремонт прибора

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно.

Будет интересно➡ Как выбрать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

В чем заключается предназначение преобразователей сигналов?

Преобразователи сигналов — устройства, которые действительно могут быть представлены в самом широком спектре решений. Данный термин фактически собирательный и может иметь отношение к оборудованию, применяемому в разных сегментах хозяйства и классифицируемому по совершенно несхожим критериям. Основные типы сигналов, которые могут преобразовывать устройства, о которых идет речь:

— электрические;

— звуковые;

— температурные;

— технологического характера.

В зависимости от задач, которые стоят перед пользователем преобразователя сигнала, в структуре соответствующего устройства могут объединяться модули, обрабатывающие несколько разных типов данных. Преобразование, таким образом, может осуществляться в рамках одного типа сигнала (например, с одной частоты на другую) либо являться механизмом, предполагающим трансляцию между разными категориями сигналов. Например, электрических в звуковые.

К самым распространенным девайсам относится преобразователь аналоговых сигналов в цифровые (и наоборот, если это предусмотрено структурой внутренних модулей устройства). Рассмотрим особенности его работы.

Простой самодельный инвертор напряжения 12-220В на двух транзисторах

В качестве трансформатора использовал ферритовые чашки с такимим размерами: диаметр – 35 мм, высота – 20мм. Сперва мотается первичная обмотка, она содержит 14 витков провода диаметром 0,5 мм, после намотки ее нужно обернуть изолентой в один слой. Вторичная обмотка трансформатора мотается проводом диаметром 0.2мм и содержит 220 витков, поверх ее также обматываем изолентой в один слой. Все, трансформатор готов, осталось только собрать половинки и посадить на болтик.

Методом проб и ошибок подобрал для схемы транзисторы, ориентируясь на минимальный ток потребления схемы. Получилась пара КТ814 и КТ940, затем были подобраны сопротивления и емкость. В результате моих опытов получилась вот такая схема с указанными номиналами, она приведена выше. Данная конструкция простого инвертора напряжения отлично подходит для питания энергосберегающей лампы мощностью в 8,9,11 Ватт. Лампы мощностью в 20 ватт не хотят работать, скорее всего вторичка слабовата – переделывать я не стал. Лампа мощностью в 9 ватт светит так же ярко как и при питании напрямую от сети переменного тока 220В. Потребляемый ток схемы преобразователя напряжения колеблется в пределах 0.5 – 0.54 Ампера.

Интересно почитать: Как легко проверить блок питания компьютера на неисправности.

Если использовать вместо транзистора КТ940 транзистор КТ817 и аналогичные то ток, потребляемый схемой инвертора напряжения и лампой, возрастает до величины 0,86 Ампера. Данная конструкция простого инвертора напряжения доступна к изготовлению всем радиолюбителям и начинающим. Преимущества данной конструкции очевидны: простота изготовления и надежность в работе.

Нужно отметить что очень много радиолюбителей проживает в сельской местности и не имеют возможности приобрести импортные детали, к тому же хоть и недорого но стоят денег те же полевые транзисторы, которые при ошибке тут же могут сгореть или выйти из строя, не говоря уже о микросхемах. А чаще всего у радиолюбителя запасы радиодеталей ограничены. Вот так и появился простой инвертор напряжения, собранный из деталей, полученых из советского хлама. Имея в распоряжении аккумулятор емкостью в 7 Ампер-Часов нетрудно подсчитать на сколько времени его хватит – проверял лично.

Часто задаваемые вопросы

Как рекомендуемый ток заряда до 0,3C влияет на пластины батарей?

У обычной свинцово-кислотной батареи при токах заряда 0,25-0,3С будет происходить ускоренная реакция выделения водорода, что приведет к высыханию и набуханию батареи. У батарей серии Carbon в следствие емкостного эффекта и увеличения числа пластин, большие токи будут равномерно распределены по пластинам, что предотвратит негативные реакции по расщеплению воды в составе электролита.

Почему не работает преобразователь напряжения?

Неисправность преобразователя напряжения часто возникает из-за использования не подходящих проводов (например, алюминиевых вместо медных). Многие модели инверторов чувствительны к питания. Они рассчитаны на работу только от аккумуляторных батарей или стабилизированных источников электропитания. Такие устройства нельзя подключать к солнечным панелям или бензогенераторам.

Какие трудности могут возникнуть при ремонте преобразователя напряжения?

Основная сложность заключается в выборе аналогов транзисторов и трансформаторов при отсутствии оригинальных компонентов. Остальные элементы электросхемы — например, резисторы, конденсаторы или диоды — не имеют конструктивных особенностей, поэтому можно использовать любые доступные детали, подходящие по напряжению, мощности и номиналу.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА, Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

2. Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод-нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

2Пример подключения преобразователя логического уровня

Давайте посмотрим на практическом примере, как работает преобразователь уровня.

Для этого подключимся к какому-нибудь 3-вольтовому датчику, например, датчику температуры и влажности HTU21D. Этот датчик управляется по интерфейсу I2C, и ему необходим 3-вольтовый сигнал управления. В то же время Arduino генерирует 5-вольтовый сигнал. Тут нам и придёт на помощь преобразователь логического уровня. Соединим устройства по такой схеме:

Для того чтобы использовать датчик, скачаем библиотеку HTU21D (она также приложена внизу статьи). Установим библиотеку как обычно. Загрузим пример SparkFun_HTU21D_Demo (File Examples SparkFun HTU21D humidity and temperature sensor breakout). В мониторе порта побегут измеренные значения температуры и влажности. Вживую это выглядит так:

Сгорит ли датчик HTU21D, если его подключить напрямую к Arduino без преобразователя уровня? Вряд ли. Но он будет работать на повышенном напряжении, что сократит срок его службы на неопределённое время. Кроме того, датчик может греться, а значит, будет искажать показания и температуры, и влажности. Также возможны «глюки» в управлении. Поэтому лучше всё же подключать датчик HTU21D к Arduino через конвертер уровня. На крайний случай, если его нет, можно подключить линии SDA и SCL датчика через ограничительные резисторы сопротивлением ~330 Ом.

Более подробно о работе с сенсором HTU21D рассказывается в следующей статье.

Конструкция

Для изменения уровня действующего напряжения питания чаще всего применяются специализированные импульсные преобразователи со встроенными в них индуктивными схемами. В соответствии со стоящей перед ними задачей, все известные модели преобразовательных устройств делятся на следующие классы:

• Инвертирующие схемы;
• Повышающие электронные агрегаты;
• Понижающие преобразователи.

Независимо от вида этих устройств, все они работают по одному и тому же принципу, обеспечивая требуемую функциональность и качество формируемых сигналов. Одинаковость устройств этого класса чаще всего выявляется по следующим характерным признакам:

• Наличие собственного модуля питания;
• Входящие в состав схемы элементы коммутации, представленные мощными полупроводниковыми транзисторами;
• Накопители энергии в виде отдельного дросселя или катушки;
• Фильтрующие конденсаторы, подключаемые в параллель нагрузочному сопротивлению;
• Специальные диоды, используемые в качестве блокирующего элемента.

Применение всех перечисленных выше элементов в нужных сочетаниях предоставляет возможность получения любой из известных категорий импульсных устройств.

Достоинства и недостатки преобразовательных устройств

Устройство защиты от скачков напряжения

К числу достоинств большинства известных моделей преобразующих устройств относятся:

• Высокая эффективность преобразования стандартных сетевых напряжений в удобный для пользователя вид с одновременным контролем их основных параметров;
• Компактность и мобильность отдельных образцов инверторных аппаратов, допускающая применение их в качестве автомобильных преобразователей;
• Хорошие показатели экономичности с КПД, приближающимся к 90%;
• Универсальность и надёжность преобразовательных устройств, обеспечивающая возможность подключения любых видов потребителей;
• Возможность компенсации потерь электроэнергии за счёт повышения выходного напряжения.

Важно! Перечисленные преимущества преобразующих приборов позволяют устанавливать их в наиболее ответственных узлах охранных и осветительных систем, а также в модулях управления работой котлов отопления, насосных станций и другого специального оборудования.

К достоинствам этих устройств также следует отнести наличие таких дополнительных опций, как возможность переключения индикаторов измеряемых величин с входного на выходное напряжение. Добавим к этому допустимость подстройки в определённых пределах контролируемых выходных параметров.

К вполне устранимым недостаткам преобразователей данного класса следует отнести чувствительность к эксплуатации в условиях повышенной влажности (это не касается моделей, выпускаемых во влагозащитном исполнении). Добавим к этому высокую стоимость преобразующих систем.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.

В предыдущей статье нашего блога представлен обзор и сравнительная таблица вторичных аккумуляторов.

Источник дежурного напряжения. Схемы. Принцип работы.

Перепрошил wiki. , пн., 04/02/2:13

Материал из .

Напряжение +5VSB, вырабатываемое этим источником, поступает на разъём блока питания для материнской платы (фиолетовый провод, 9-й контакт 20-ти контактного разъема ATX). Используется для питания материнской платы, USB (не всегда), а также для питания всей остальной начинки БП. Существуют различные способы реализации данного узла БП: на дискретных элементах или интегральных микросхемах.

РАССМОТРИМ РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ДЕЖУРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ: