Преобразователь напряжения: назначение, функции и области применения

Особенности преобразователя напряжения. Описание и виды устройства, области применения, рабочие схемы преобразования тока в сети.

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать  выходной токовый сигнал источника в напряжение. 

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления. Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор. 

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток iвх протекая через резистор R  вызывает на нем падение напряжение Uвых. Величина этого напряжения  прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

Uвых = R × iвх

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа, особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом. Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны. 

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.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания Uип с клеммами 1-2 и потребитель RнLн, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 Uип, при этом I от Uип протекает в направлении LнRн, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема преобразования постоянного напряжения в переменное

Теги

ОбучениеОУ (операционный усилитель)Преобразователь напряжение-токЭлектроника

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

.

:

1) .

.

2) .

.
, , . .

3) .

, .

4) .

, .

5) .

1 , .

6) .

, , . .
, .

7) .

. , , , . . .
obshaya

– :

  • . , , . , , .
  • . .. . .
  • , , , . , . . , , .. .
  • . , . .

– . , , , . 3- .

Принцип работы преобразователей напряжения

Преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Принцип действия понижающего преобразователя

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

History[edit]

For high efficiency, the switched-mode power supply (SMPS) switch must turn on and off quickly and have low losses. The advent of a commercial semiconductor switch in the 1950s represented a major milestone that made SMPSs such as the boost converter possible. The major DC to DC converters were developed in the early 1960s when semiconductor switches had become available. The aerospace industry’s need for small, lightweight, and efficient power converters led to the converter’s rapid development.

Switched systems such as SMPS are a challenge to design since their models depend on whether a switch is opened or closed. R. D. Middlebrook from Caltech in 1977 published the models for DC to DC converters used today. Middlebrook averaged the circuit configurations for each switch state in a technique called state-space averaging. This simplification reduced two systems into one. The new model led to insightful design equations which helped the growth of SMPS.

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.

Что такое преобразователь напряжения

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.

Принцип работы преобразователя напряжения.

Принцип работы преобразователя напряжения.

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 отличается параллельное и последовательное соединение резисторов.

Читать далее

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

Читать далее

Принцип работы импульсных преобразователей

На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L1, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы.

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается, и к дросселю L1 прикладывается некоторое напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток возрастает на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):

$$dI_{1}=frac{V_{L1}}{L_{1}}times t_{ON},qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$$

где L1 – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.

При этом к диоду VD1 приложено напряжение обратной полярности, поэтому ток через него не протекает. В конце этого интервала ток дросселя достигает максимального значения IMAX1, а это значит, что в его магнитопроводе накапливается энергия E (формула 3):

$$E=frac{I_{MAX1}^2times L_{1}}{2}qquad{mathrm{(}}{3}{mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.

После размыкания ключа S1 на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L1 теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его величина IMAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

$$E=frac{I_{MAX2}^2times L_{2}}{2},qquad{mathrm{(}}{4}{mathrm{)}}$$

где L2 – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.

Дроссель понижающей, повышающей и инвертирующей схем обычно содержит только одну обмотку, поэтому L1 = L2, а значит и IMAX1 = IMAX2 = IMAX. А вот для обратноходовой схемы индуктивности L1 и L2 чаще всего отличаются, поэтому ток IMAX2 можно определить (формула 5), приравняв формулы 3 и 4 :

$$I_{MAX2}=I_{MAX1}times sqrt{frac{L_{1}}{L_{2}}}=I_{MAX1}times frac{N_{1}}{N_{2}},qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$$

где N1 и N2 – количество витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток.

Вторую часть формулы 5 можно легко получить, вспомнив, что индуктивность обмотки пропорциональна квадрату количества витков (формула 6):

$$L_{1,2}=N_{1,2}^2times A_{L},qquad{mathrm{(}}{6}{mathrm{)}}$$

где AL – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток дросселя за время tOFF уменьшится на величину dI2 (формула 7):

$$dI_{2}=frac{V_{L2}}{L_{2}}times t_{OFF}qquad{mathrm{(}}{7}{mathrm{)}}$$

В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI1 = -dI2, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):

$$dI_{1}times N_{1}=-dI_{2}times N_{2}qquad{mathrm{(}}{8}{mathrm{)}}$$

Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов преобразования:

$$frac{V_{L1}}{N_{1}}times t_{ON}=-frac{V_{L2}}{N_{2}}times t_{OFF}qquad{mathrm{(}}{9}{mathrm{)}}$$

Формула 9 является основой для получения регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = tON/(tON + tOFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.

Какой инвертор вам нужен?

Самые слабенькие инверторы рассчитаны на мощности около 200 Вт и подключаются в гнездо 12 В. С их помощью можно подзарядить смартфон, запитать ноутбук, нагреть паяльник и т. п. Но никакой серьезный инструмент типа электролобзика работать от такого устройства не сможет.

Материалы по теме

Мощные инверторы — от 1 кВт — подключают непосредственно на клеммы АКБ. Хотите воспользоваться болгаркой или дрелью мощностью под 800 ватт — не забудьте пустить мотор машины. ­В противном случае батарея не продержится и часа.

На эти две группы мы и разбили приобретенные для экспертизы инверторы (они же — преобразователи напряжения) — слабенькие и мощные.

Функции преобразователей

Преобразователи напряжения выполняют следующие функции:

  • Изменяют значение напряжения источника питания или электрической сети;
  • Регулируют частоту и напряжение;
  • Изменяют направление электрического тока.

Также подобные устройства могут регулировать вольт-амперные характеристики потока электронов, делать его стабильным на протяжении длительного времени.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

20111011-01.png.pagespeed.ce.xVfWm11MSm.png

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

20111011-02.png.pagespeed.ce.fBRSUKhyNN.png

Использование преобразователей напряжения

Кому же, в первую очередь, требуются преобразователи тока:

  • При необходимости сохранения в рабочем состоянии системы отопления, в том случае, когда отключается электрическая сеть. То же самое касается холодильников и компьютеров. Преобразователь не только предотвратит выход электротехники из строя, но и обеспечит ее непрерывную работу;
  • Инвертор можно использовать не только в частном доме или в квартире, но и в полевых условиях, где при полном отсутствии электроэнергии он способен заменить электрогенератор;
  • Преобразователь тока бывает, незаменим в больницах, особенно при проведении операций и в стоматологических кабинетах;
  • Без инверторов не обойтись в магазинах, торгующих продовольственными товарами, а также на продуктовых складах, где выход из строя холодильников может очень дорого обойтись.

Схема частотного преобразователя

Частотные преобразователи: принцип работы

Схема частотного преобразователя асинхронного двигателя

Что такое инвертор напряжения

Индикатор напряжения на светодиодах: схема, как сделать своими руками самодельный указатель напряжения в сети

Принцип работы частотного преобразователя

See also[edit]

  • Joule thief
  • Buck converter
  • Buck-boost converter
  • Split-pi topology
  • Transformer
  • Vibrator (electronic)
  • Voltage doubler
  • Voltage multiplier
  • The hydraulic ram can be seen as analogous to a boost converter, using the electronic–hydraulic analogy.[4][5]

Further reading[edit]

  • Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. (2003). Power Electronics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-42908-1.
  • Basso, Christophe (2008). Switch Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs. New-York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-150858-2.

References[edit]

  1. ^ Sharma, Kalyani; B., Raj Kiran (November 2016). “Simulation Analysis of Voltage-Lift Type Boost Converter for Solar Photovoltaic System”. International Journal of Science and Research. 5 (11): 1899–1903 – via IJSR.
  2. ^ “Boost Converter Operation”. LT1070 Design Manual, Carl Nelson & Jim Williams
  3. ^ [1]
  4. ^ Kypuros, Javier A.; Longoria, Raul G. (2004-01-29). “Model Synthesis for Design of Switched Systems Using a Variable Structure System Formulation”. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 125 (4): 618–629. doi:10.1115/1.1636774. ISSN 0022-0434. The hydraulic-ram pump … structure parallels that of the boost converter making it a hydraulic analog
  5. ^ Longoria, R.G.; Kypuros, J.A.; Raynter, H.M. (1997). “Bond graph and wave-scattering models of switched power conversion”. 1997 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics. Computational Cybernetics and Simulation. 2. pp. 1522–1526. doi:10.1109/ICSMC.1997.638209. ISBN 978-0-7803-4053-4. Indeed, this self-acting pump has much to offer in a parallel study with its electrical cousin.

Примечания

  1. ГОСТ Р 50369-92 Электроприводы. Термины и определения
  2. С. Ю. Забродин. Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.

  3. С. Ю. Забродин. Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.

  4. С. Ю. Забродин. Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Это заготовка статьи об электричестве. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
  4. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
  5. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

•••

  • Explanation of nonlinear behavior, modeling, and linearization of the boost dc/dc converter
  • Boost converter maximum output power operation for energy harvesting

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

принципиальная схема сетевого блока питания фирмы Philips

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...