Диод в цепи нагревателя переменного тока 220 v: Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост

Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми диодами. В предыдущей части статьи мы с Вами разобрались с принципом работы диода, рассмотрели его вольт-амперную характеристику и выяснили, что такое пробой p-n перехода.
В этой части мы рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов.

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Однако, это далеко не полная область применения выпрямительных диодов: они широко используются в цепях управления и коммутации, в схемах умножения напряжения, во всех сильноточных цепях, где не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам электрического сигнала.

Общие характеристики выпрямительных диодов.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой, средней и большой мощности:

малой мощности

рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;
средней мощности – от 300mA до 10А;
большой мощности — более 10А.

По типу применяемого материала они делятся на германиевые и кремниевые, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили кремниевые выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.

Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными.

Технология изготовления таких диодов заключается в следующем:
на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними

p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.
Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т. е. со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Кристаллы кремния или германия (3) с p-n переходом (4

) припаиваются к кристаллодержателю (2), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).

Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1) с помощью которых они монтируются в схемах.
У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) значительно мощнее. Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).

Электрические параметры выпрямительных диодов.

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;

Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).

При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (

Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.

Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.

Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.

Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается

через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным

, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Диодный мост.

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус.

Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.

Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово.

На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.

Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет.

В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.

В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:

1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.

А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.

Ну вот, мы с Вами практически и закончили изучать диоды. Конечно, в этих статьях дано далеко не все, а только основные понятия, но этих знаний Вам уже будет достаточно, чтобы собрать свою радиолюбительскую конструкцию для дома, в которой используются полупроводниковые диоды.

А в качестве дополнительной информации посмотрите видеоролик, в котором рассказывается, как проверить диодный мост мультиметром.

Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н., Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.

Что будет, если подать в электросеть постоянный ток / Хабр

Война токов

завершилась, и Тесла с Вестингаузом, похоже, победили. Сети постоянного тока сейчас используются кое-где на железной дороге, а также в виде свервысоковольтных линий передачи.

Подавляющее большинство энергосетей работают на переменном токе. Но давайте представим, что вместо переменного напряжения с действующим значением 220 вольт в ваш дом внезапно стали поступать те же 220 В, но постоянного тока.

Театр начинается с вешалки, а наш электрический цирк — с вводного щитка.

И сразу хорошие новости: защитные автоматы будут работать как положено. Автомат имеет два расцепителя: тепловой и электромагнитный. Тепловой служит для защиты от длительной перегрузки. Ток нагревает биметаллическую пластинку, она изгибается и размыкает цепь. Электромагнитный элемент срабатывает от кратковременного импульса тока при коротком замыкании. Он представляет собой соленоид, который втягивает в себя сердечник и, опять же, разрывает цепь. Обе эти системы прекрасно работают на постоянном токе.

источник картинки: выключатель-автоматический. рф

Дополнения от Bronx и AndrewN:
Магнитный расцепитель срабатывает по амплитудному значению тока, то есть в 1,4 раза больше действующего. На постоянном токе его ток срабатывания будет в 1,4 раза выше.

Дугу постоянного тока сложнее погасить, так что при коротком замыкании увеличится время разрыва цепи и ускорится износ автомата. Существуют специальные автоматы, рассчитанные на работу с постоянным током.

Помимо автоматов, в щитке есть устройство защитного отключения (УЗО). Его цель — обнаруживать утечку тока из сети на землю, например при касании человеком токоведущих частей. УЗО измеряет силу тока в двух проводниках, проходящих через него. Если в нагрузку втекает такой же ток, что и вытекает — всё в порядке, утечки нет. Если же токи не равны, УЗО бьёт тревогу и разрывает цепь.

Чувствительный элемент УЗО — дифференциальный трансформатор. У такого трансформатора две первичные обмотки, включенные в противоположных направлениях. Если токи равны, их магнитные поля компенсируют друг друга и на выходе сигнала нет. Если токи не скомпенсированы, на выходе сигнальной обмотки появляется напряжение, на которое реагирует схема УЗО. На постоянном токе трансформатор работать не будет, и УЗО окажется бесполезным.

Неважно, какой у вас электросчетчик — старый механический или новый электронный — работать он не будет. Механический счетчик представляет собой электродвигатель, где ротором служит металлический диск, а статор содержит две обмотки. Одна обмотка включена последовательно с нагрузкой и измеряет ток, вторая включена параллельно и измеряет напряжение. Таким образом, чем больше потребляемая мощность, тем быстрее крутится диск. Работа такого счетчика основана на явлении электромагнитной индукции, и при постоянном токе в обмотках диск останется неподвижен.

Электронный счетчик устроен по-другому. Он напрямую измеряет напряжение (через резистивный делитель) и ток (при помощи шунта или датчика Холла), оцифровывает их, а затем микропроцессор пересчитывает полученные данные в киловатт-часы. В принципе, ничто не мешает такой схеме работать с постоянным током, но во всех бытовых счетчиках постоянная составляющая программно отфильтровывается и на показания не влияет. Счетчики постоянного тока существуют в природе, их ставят, например, на электровозы, но в квартирном щитке вы такой не найдёте.

Ну и ладно, не хватало ещё платить за всё это безобразие! Идём дальше по цепи и смотрим, какие электроприборы могут нам встретиться.

Тут всё прекрасно. Электронагреватель — это чисто резистивная нагрузка, а тепловое действие тока не зависит от его формы и направления. Электроплиты, чайники, кипятильники, утюги и паяльники будут работать на постоянном токе точно так же, как и на переменном. Биметаллические терморегуляторы (как, например, в утюге) тоже будут функционировать правильно.

Старая добрая лампочка Ильича на постоянном токе чувствует себя не хуже, чем на переменном. Даже лучше: не будет пульсаций света, лампа не будет гудеть. На переменном токе лампочка может гудеть из-за того, что спираль (особенно, если она провисла) работает как электромагнит, сжимаясь и растягиваясь дважды за период. При питании постоянным током этого неприятного явления не будет.

Однако если у вас установлены регуляторы яркости (диммеры), то они работать перестанут. Ключевым элементом диммера является тиристор — полупроводниковый прибор, который открывается и начинает пропускать ток в момент подачи управляющего импульса. Закрывается тиристор, когда ток через него прекращает течь. При питании тиристора переменным током он будет закрываться при каждом переходе тока через ноль. Подавая управляющий импульс в разное время относительно этого перехода, можно менять время, в течение которого тиристор будет открыт, а значит, и мощность в нагрузке. Именно так и работает диммер.

При питании постоянным током тиристор не сможет закрыться, и лампа всегда будет гореть на 100% мощности. А возможно, управляющая схема не сможет «поймать» переход сетевого напряжения через ноль и не подаст импульс для открытия тиристора. Тогда лампа не загорится совсем. В любом случае, диммер будет бесполезен.

Люминесцентную лампу нельзя включать напрямую в сеть, для нормальной работы ей нужен пуско-регулирующий аппарат (ПРА). В простейшем случае он состоит из трёх деталей: стартёра, дросселя и конденсатора. Последний нужен не самой лампе, а остальным потребителям в сети, так как он улучшает

коэффициент мощности

и фильтрует помехи, создаваемые лампой. Стартёр — это неоновая лампочка, один из электродов которой при нагреве изгибается и касается второго электрода. Дроссель — большая катушка индуктивности, включенная последовательно с лампой:

Штатно всё это работает так: при включении зажигается разряд в стартёре, его контакты нагреваются и замыкаются между собой. Ток течёт через нити накала лампы, отчего те разогреваются и начинают испускать электроны. В это время стартёр остывает и размыкает цепь. Ток резко падает, и за счет самоиндукции на дросселе появляется импульс высокого напряжения. Этот импульс зажигает разряд в лампе, и дальше он горит самостоятельно. Дроссель теперь ограничивает ток разряда, работая как добавочное сопротивление.

Что же будет на постоянном токе? Стартёр сработает, лампа зажжётся как положено, но вот дальше всё пойдёт наперекосяк. В цепи постоянного тока у дросселя не будет индуктивного сопротивления (только активное сопротивление проводов, а оно мало), а значит, он больше не сможет ограничивать ток. Чем выше ток разряда, тем сильнее ионизируется газ в лампе, сопротивление падает, и ток растёт ещё сильнее. Процесс будет развиваться лавинообразно и закончится взрывом лампы.

Электромагнитные ПРА просты, но не лишены недостатков. У них низкий КПД, дроссель громоздкий и тяжелый, гудит и нагревается, лампа загорается с диким миганием, а потом мерцает с частотой 100 Гц. Всех этих недостатков лишен электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Как он работает? Если посмотреть

схемы различных ЭПРА

, можно заметить общий принцип. Напряжение сети выпрямляется (преобразуется в постоянное), затем генератор на транзисторах или микросхеме вырабатывает переменное напряжение высокой частоты (десятки кГц), которое питает лампу. В дорогих ЭПРА есть схемы разогрева нитей и плавного запуска, которые продлевают срок службы лампы.

источник картинки: aliexpress.com

Схожую схемотехнику имеют как блоки для линейных ламп, так и компактные «энергосберегайки», которые вкручиваются в обычный патрон. Поскольку на входе ЭПРА стоит выпрямитель, можно питать всю схему постоянным напряжением.

Светодиод требует для работы небольшое постоянное напряжение (около 3.5 В, обычно соединяют несколько диодов последовательно) и ограничитель тока.

Схемы светодиодных ламп

весьма разнообразны, от простых до довольно сложных.

Самое простое — последовательно со светодиодами поставить гасящий резистор. На нём упадёт лишнее напряжение, он же будет ограничивать ток. Такая схема имеет чудовищно низкий КПД, поэтому на практике вместо резистора ставят гасящий конденсатор. Он также обладает сопротивлением (для переменного тока), но на нём не рассеивается тепловая мощность. По такой схеме собраны самые дешёвые лампы. Светодиоды в них мерцают с частотой 100 Гц. На постоянном токе такая лампа работать не будет, так как для постоянного тока конденсатор имеет бесконечное сопротивление.

источник картинки: bigclive.com

Более дорогие лампы устроены сложнее, очень похоже на ЭПРА для люминесцентных ламп. Источник питания в них содержит высокочастотный импульсный стабилизатор, который питается выпрямленным сетевым напряжением. Как и в случае с ЭПРА, схема будет нормально работать, если подать на неё постоянное напряжение.

источник картинки: powerelectronictips.com

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) состоит из неподвижного статора и ротора, который вращается внутри. Статор имеет одну обмотку, а ротор сразу несколько. Роторные обмотки подключаются через коллектор — цилиндр с контактами, по которому скользят угольные щётки. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора заставляет ротор поворачиваться. Коллектор устроен так, что всё время включает ту из обмоток, которая находится перпендикулярно обмотке статора — для неё вращающий момент будет максимальным.

Такой двигатель может работать при питании как переменным, так и постоянным током. Собственно, поэтому он и называется «универсальным». При смене полярности одновременно меняется направление магнитного поля и в статоре, и в роторе, в результате двигатель продолжает вращаться в ту же сторону. На постоянном токе УКД развивает даже больший момент, чем на переменном, за счет отсутствия индуктивного сопротивления обмоток. Универсальные коллекторные двигатели применяются там, где нужно получить большую мощность при малых габаритах. В бытовой технике УКД стоят в стиральных машинах, пылесосах, фенах, блендерах, миксерах, мясорубках, а также в электроинструментах. Все эти приборы продолжат работать, если напряжение в розетке внезапно «выпрямится».

У синхронного двигателя в статоре несколько обмоток, которые создают вращающееся магнитное поле. Ротор содержит постоянный магнит либо обмотку, питаемую постоянным током. Магнитное поле статора сцепляется с полем ротора и вращает его за собой. Особенностью такого двигателя является то, что частота его вращения зависит только от частоты питающего тока. На постоянном токе, очевидно, такой двигатель будет вращаться с нулевой частотой, то есть остановится.

В быту применяются маломощные синхронные двигатели там, где нужно поддерживать строго постоянную частоту вращения. В основном, это электромеханические часы и таймеры. Также синхронными являются двигатель вращения тарелки в СВЧ-печи и двигатель сливного насоса в стиральной машине.

Асинхронный двигатель похож своим устройством на синхронный. В нем также статор имеет несколько обмоток и создаёт вращающееся поле. Но обмотка ротора никуда не подключена и замкнута накоротко. Ток в ней создаётся за счет явления электромагнитной индукции в переменном поле статора. Этот ток создаёт своё магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся полем статора и заставляет ротор вращаться.

Асинхронные двигатели отличаются низким уровнем шума и большим ресурсом из-за отсутствия трущихся щёток. Их можно встретить в холодильниках, кондиционерах и вентиляторах. При питании постоянным током магнитное поле статора вращаться не будет. Также не возникнет ток в короткозамкнутом роторе. Двигатель останется неподвижен, а обмотка будет просто нагреваться, как обычный кусок провода.

Строго говоря, это не отдельный тип двигателя, а способ управления им. Сам двигатель может быть синхронным или асинхронным. Главная особенность в том, что напряжения на обмотках формируются управляющей схемой по сигналу с датчика положения ротора. Это позволяет регулировать скорость и крутящий момент в широких диапазонах, ограничивать пусковые токи и даёт кучу возможностей, вроде стабилизации частоты вращения. Вот пара хороших статей, объясняющих всю эту магию:

Раз
Два

Вентильные двигатели всё шире используются в бытовой технике: в стиральных машинах, холодильниках, кондиционерах, пылесосах. Обычно такую технику можно узнать по прилагательному «инверторный» в рекламе. Вентильный двигатель безразличен к форме питающего напряжения. Напряжение сети первым делом выпрямляется, а затем управляющий блок «лепит» из него несколько разных синусоид (обычно три) для питания обмоток мотора. Естественно, такая система будет спокойно работать на постоянном токе.

Трансформатор состоит из нескольких обмоток, связанных общим магнитопроводом. Переменный ток в одной обмотке (первичной) порождает индукционные токи во всех остальных обмотках (вторичных). Ключевая особенность трансформатора, ради которой его обычно и используют, в том, что напряжения на обмотках соотносятся так же, как количество витков в этих обмотках. Если в первичной обмотке намотать 1000 витков, а во вторичной — 100, такой трансформатор будет понижать напряжение в 10 раз. Если включить его наоборот — в 10 раз повышать. Очень просто и удобно.

В линейном блоке питания напряжение сети понижается (или повышается, если надо) до необходимого уровня при помощи трансформатора. Далее стоит выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное, и фильтр, сглаживающий пульсации. Затем может идти стабилизатор, который поддерживает неизменным выходное напряжение.

Линейные блоки питания постепенно вытесняются импульсными, но первые работают ещё много где. В микроволновке, если она не «инверторная», есть мощный трансформатор, который повшает сетевые 220 В до нескольких киловольт, необходимых для работы магнетрона. От трансформаторов питается управляющая электроника в стиральных машинах, кухонных плитах и кондиционерах. Трансформаторные блоки питания используются в аудиоаппаратуре и дешёвых зарядных устройствах.

Что случится с трансформатором, если его включить в сеть постоянного тока? Во-первых, на вторичных обмотках напряжение не появится, так как электромагнитная индукция возникает лишь при изменении тока. Во-вторых, обмотка не будет обладать индуктивным сопротивлением, а значит, через неё потечёт гораздо больший ток, чем рассчитано. Трансформатор будет перегреваться и довольно быстро сгорит.

Чем выше частота переменного тока, тем эффективнее работает трансформатор (в разумных пределах, конечно). Если использовать частоту в несколько десятков килогерц вместо сетевых 50 Гц, можно прилично уменьшить габариты трансформаторов при той же передаваемой мощности. Эта идея лежит в основе импульсных блоков питания. Работает такой блок следующим образом: напряжение сети выпрямляется, полученное постоянное напряжение питает транзисторный генератор, который даёт снова переменное напряжение, но уже высокой частоты. Его теперь можно понижать или повышать трансформатором, выпрямлять и подавать в нагрузку.

По такой схеме сейчас питается подавляющее большинство электроники: компьютеры, мониторы, телевизоры, зарядные устройства для ноутбуков, телефонов и прочих гаджетов. Поскольку входное напряжение первым делом выпрямляется, импульсный блок питания должен без проблем работать на постоянном токе. Но есть пара моментов, которые могут всё испортить.

Во-первых, напряжение после выпрямителя равно почти амплитудному значению переменного напряжения. То есть для ~220 В на входе выпрямитель даст 311 B. Мы же по условию подаём постоянное напряжение 220 В, что на 30% ниже. Это скорее всего не вызовет проблем, потому что современные блоки питания могут работать в широком диапазоне напряжений, обычно от 100 до 250 В.

Во-вторых, выпрямитель состоит из четырёх диодов, которые работают парами: одна пара на положительной полуволне тока, другая — на отрицательной. Таким образом, каждый диод пропускает ток лишь половину времени. Если мы подадим на выпрямитель постоянное напряжение, одна пара диодов будет открыта всегда, и на них будет рессеиваться двойная мощность. Если диоды не имеют двойного запаса по току, они могут сгореть. Но это не слишком большая беда: можно просто выкинуть выпрямитель и подавать постоянное напряжение сразу после него.

После того, как вы потушили несколько возгораний и сгребли в кучу испорченные приборы, настало время подвести итоги. Переход на постоянный ток переживёт либо старая и простая техника (лампы накаливания, нагреватели, коллекторные моторы с механическим управлением) либо, наоборот, самая современная (с импульсными блоками питания и инверторными моторами).

К счастью, описанный сценарий вряд ли осуществится на практике, если не рассматривать возможность специально организованной диверсии. Ни при какой возможной аварии в энергосети переменное напряжение не станет вдруг постоянным. Правда, при возможных авариях случаются иные нехорошие вещи, но это уже совсем другая история. Берегите себя и делайте бэкапы.

Принцип работы, отличия постоянного от переменного электрического тока

Электрический ток— это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах — ионов, а в газах — электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это электрический ток, у которого  свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток  из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.

Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока , потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется  в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).

Принцип работы переменного тока

Переменный ток  (AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока — частота, напряжение, число фаз.

Переменный ток может быть как одно- , так и  трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.

Основные характеристики переменного тока — действующее значение напряжения и частота.

Обратите внимание, как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.

Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).

И так мы подошли к понятию частота— это отношение числа полных циклов  (периодов) к единице времени периодически меняющегося  электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.

Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!

Источниками переменного тока являются все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями  к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему  в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах.  С электростанции, где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 Вольт, далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между фазой и нулем или землей напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.

И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи  выпрямителей.

1. Первоначальный этап преобразования— это подключение диодного моста, состоящего из 4 диодов достаточной мощности (на рисунке ниже), который срезает верхние границы переменных синусоид или делает ток однонаправленным.
2. Второй этап— это подключение параллельно на выход с диодного мостика конденсатора или сглаживающего фильтра, который исправляет провалы между пиками синусоид. Обратите внимание, как выглядит синусоида после прохождения через диодный мост (на рисунке выделена зеленным цветом).

   И как уменьшаются пульсации (изменения напряжения) после подключения конденсатора- на рисунке выделено синим цветом.

3. Далее при необходимости для уменьшения уровня пульсаций,  дополнительно могут применяются стабилизаторы тока или  напряжения.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор — это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.

Инвертор технически сложное устройство, поэтому и цены на него не маленькие. Стоимость зависит напрямую от выходной максимальной мощности переменного тока.

Как правило, преобразование постоянного тока требуется в редких случаях. Например, для подключения от бортовой электросети автомобиля домашних электроприборов, инструмента и т. п. в походе, на даче и т. д.

Что такое фаза, ноль, заземление читайте в следующей нашей статье.

Примеры использования трансформаторов тока в различных приложениях

Уважаемые господа разработчики, как Вы понимаете, можно приводить огромную массу примеров применения трансформаторов тока, но мы остановимся только на некоторых, не связанных с измерением параметров электрических сетей для функций коммерческого учета. Моя задача постараться донести общий подход к решению практических задач, переодически возникающих при разработке новых приборов или контроле за состоянием переферийных устройств. Все остальное — доделает полет мысли разработчика, а я никоем образом не хочу вводить ограничения и навязывать свое мнение в вопросах выбора. Со своей стороны я постараюсь продолжать публиковать интересные решения для общего обозрения, так что делитесь проблемами и решениями. Итак начнем:

1. Индикация включенной нагрузки

Достаточно часто, возникает необходимость дистанционного контроля за работой различных энергопотребляющих устройств. Например работа ТЭНов. Как правило, в силовую цепь нагревателей помещают спец. защитные отключатели (например биметаллические), которые срабатывают при достижении аварийной температуры. Как узнать — греет ТЭН или нет? Можно пощупать пальцем — вскочил волдырь, значит греет, холодный — либо перегорел, либо включилась защита. А есть более безопасный вариант? Конечно! В цепь питания такого ТЭНа включим трансформатор тока и будем внимательно наблюдать за его работой. Если по первичке трансформатора течет ток — он будет стараться выдать и вторичный ток, который можно использовать, например засветить светодиод или подключить стрелочный индикатор или вообще — передать в контроллер, который будет принимать решения.

1.1. Используем светодиод.

Как Вы знаете, для того, что-бы светодиод светился, на него надо подать ток, чем ток больше — тем ярче светится светодиод, но тем более короткую жизнь он проживает. Обычно величину этого тока принимаю равным 5-10мА, для ярких соответственно 2-5мА. При этом они живут очень долго и счастливо. С учетом того, что светодиод работает на постоянном токе, а трансформатор этого категорически не любит — выходной ток трансформатора мы будем выпрямлять. Можно конечно включить встречно 2 светодиода — один горит на одной полуволне, второй на другой. Это выход, но напряжение стабилизации светодиодов немного разнится от экземпляра к экземпляру, поэтому мы имеем несимметричную нагрузку, а это нехорошо для трансформатора. В принципе, некоторый перекос он прощает, но если просто повесить на выход тр-ра один светодиод, то придется наблюдать за его слабеньким свечением.

Почему слабеньким? Да потому, что работая на одну полуволну, сердечник трансформатора постепенно намагнитится до режима насыщения и трансформатор перестанет правильно работать. Идеальный выход — включить на выходе трансформатора диодный мостик, например на КД522 (LL4148), стоит копейки, а пользу для трансформатора приносит громадную. Если на выход моста включить еще и конденсатор — то и нагрузка начнет ощущать себя поспокойней. Итак мы имеем трансформатор, диодный мост и конденсатор. Включим на выход моста красный светодиод. А для того, что бы он светился правильно — займемся предварительным расчетом и выбором трансформатора.

Для того, чтобы в нагрузку потек ток, трансформатор в нашем примере должен развить на выходе некоторую ЭДС (для преодоления напряжения открывания диодов моста и светодиода). Считаем эту ЭДС: падение напряжения на диоде LL4148 можно принять за 0.9в ( они слабенькие, падение напряжения при хорошем токе побольше чем 0.6в.), их у нас работает по 2 в каждой полуволне, на красном светодиоде — 1.7в. Итого имеем 0.9*2+1,7=3.5в.

Т.е. трансформатор должен уметь развивать на выходе ЭДС значительно больше 3.5 в. Теперь считаем ток на входе: Если на выходе нам нужно 5 мА, то при коэфф. трансформации 1:3000, первичный ток должен быть 5мА*3000=15А. Смотрим сколько нам надо: например ТЭН имеет мощность 1 кВт, т.е. ток = 1000Вт/220в=4.8А. А нам надо 15А! Что делать? Все просто — 15А/4.8А=3, т. е., нам надо трижды просунуть через центральное отверстие токоведущий проводник и мы получим практически искомую величину — 15А, которая нам и нужна. (т.е. получить фактический коэфф. трансформации 3:3000). Итак, ищем трансформатор, который может выдать на выходе ЭДС не менее 3.5в, при этом не уйти в насыщение при 15А на входе, а не вдаваясь в подробности — ищите с запасом в 2-3 раза.

С учетом того, что нам надо просунуть аж 3 витка — ищем трансформатор с подходящим отверстием. Возьмем например Т10-110А-90-З/0 (см фото). Он имеет ЭДС не менее 10В, и что самое для нас главное — огромное отверстие (11мм), в которое легко просунем 3 витка сетевого провода (внимание-только один провод из двух, идущих на ТЭН!).

Проверим: сопр. обмотки у Т10-110А-90-З/0=190 Ом. При токе 5 мА, на обмотку придется 5мА*190 Ом=0,95в. Да еще 3.5в на нагрузке, итого имеем 3.5+0,95=4.45в. что меньше 10в. А это значит что все работает! Если отв. не нужно такое большое, например мотаем 3 витка проводом ПЭТВ2-1. 05 и запаиваем его в плату (см примеры монтажа на печ. плату), то можно выбрать трансформатор поменьше и подешевле.

А что, если мы проверяем работу ТЭНа аж на 10 кВт? Коротко считаем: 10кВт/220в=48А. А надо всего 15А! Значит на сетодиод пойдет аж 16мА! Либо мы с этим миримся, либо надо отвести лишний ток от светодиода. Как это сделать? Поставим резистивный шунт параллельно светодиоду. Посчитаем шунт? Итак мы имеем 1.7в на нагрузке, и при этом лишний ток 11мА (5 мА съедает светодиод). Считаем 1.7в/11мА=0,15кОм. Ближайший 150 Ом. Считаем мощность = 1,7в*11мА=19мВт. Значит резистор ставим любой (берем обычный 0.125Вт). С учетом того, что особая точность нам не нужна (не измеряем, а просто светим), на этом расчет остановим.

1.2 Стрелочный индикатор

Ход рассуждений абсолютно такой-же как и при выборе светодиода, но считать надо поточнее и ввести элемент для калибровки (все-таки какой-никакой, а измеритель).

Итак мы имеем все тот-же мост на выходе трансформатора и стрелочный прибор. С учетом того, что стрелочный прибор обладает большой инерционностью, большой конденсатор ему не требуется, но, что-бы убрать всякие переходные процессы, лучше все-же небольшой конденсатор (0.1-0.22 мкФ) поставить. Итак, например, мы имеем полное отклонение стрелки на 100 мкА, сопротивление обмотки 1600 Ом. (первая цифра пишется у прибора на циферблате, вторую можно получить померив сопр. прибора омметром). Считаем падение напряжения на приборе при полном отклонении стрелки: 100мкА*1600ом=160мв. Добавим к этому падение напряжения на мосте 1.6в, итого трансформатор ищем с ЭДС более 1,8в. Например Т04-90А-110-К/0 (см фото) или Т04-90А-110-Т/0 (см фото)

Для случая ТЭНа=1кВт (см выше) имеем на выходе трансформатора 4.8А/3000=1,6мА. Стрелочный прибор зашкаливает на 0.1 мА. Значит лишние 1.5мА надо увести в шунт. Считаем 160мв/1.5мА=107 ом. Т.е. в теории, зашунтировав прибор резистором 107 ом мы получим полное отклонение стрелки при мощности нагрузки 1 кВт. А что будет, если мы поставим резистор 130 ом? А это значит, что ток через стрелочный прибор будет больше максимального и его зашкалит. Что-бы этого не случилось, мы включим последовательно с прибором (внимание не с шунтом!) подстроечный резистор, которым и ограничем ток. Расчет подстроечного резистора: Итак, если мы ставим шунт 130 ом, при прохождении через него тока 1.5 мА, падение напряжения составит 13ом*1.5мА=195 мВ. Считам нужное сопротивление в цепи стрелочного прибора: 195мв/0,1мА=1950ом. Сопротивление катушки 1600ом, 1950ом-1600ом=350ом. Значит, в теории, нам не хватает сопротивления 350ом для того, что бы все замечательно работало. Берем подстроечный резистор 470ом, которым мы легко сможем выставить показание стрелочного прибора в максимум при максимальной мощности (т.к. откалибровать стрелочный прибор по максимальному току в первичке). Что нам собственно и требовалось.

1.3 Передача информации в контроллер или исполнительное устройство.

Все абсолютно так-же как и выше. Единственно, надо решить — мы контролируем форму тока и принимаем решения, или нам не важно как этот ток течет, главное — поймать что его слишком много или слишком мало. В первом случае ставим АЦП, во втором — триггер шмитта, компаратор, или, если работать по принципу есть/нет, то просто логический вход. Наша задача — получиь напряжение заданной величины при заданном входном токе. Рассмотрим это на примере работы того-же ТЭНа 1кВт. Наша задача среагировать на защитное отключение ТЭНа при аварийном отключении ТЭНа внешним размыкателем, например биметаллическим при перегреве.

Используем PIC16F630 имеющий в своем составе компаратор (встроенное опорное по 24 уровням). С учетом того, что при включении нагрузки может проходить мощный пусковой ток, надо ограничить возможность трансформатора выдавать напряжение на м.сх. более напряж. питания м.сх., для этой цели достаточно защитить вход м.сх. стабилитроном. В данном примере предлагаю заменить стабилитрон копеечным диодом LL4148 с прямым включением и не переживать за сохранность микросхемы (весь ток диод заберет на себя и больше 1 в. ну никак не пропустит). С учетом того, что диод реально начнет влиять на измерительную цепь уже на 0. 2-0.3в надо ограничиться этим уровнем при измерении, хотя для контроля до 0.6в все будет достаточно корректно.

Далее, по уже знакомому пути, считаем величину нагрузочного резистора: Считаем ток: 4.8А/3000=1.6мА. Примем величину опорного напряжения = 2/24 напр. питания или (при 5в) = 5/24*2=0,41в.Принимаем, что если напряж. на входе компаратора более 0,41в, считаем что ТЭН включен, менее — выключен. Примем, что при 1 кВт нагрузки, на входе компаратора должно быть не менее 0,5в.( т.е. больше 0.41в) Значит: 0.5в/1,6мА=0,3125 кОм. Выбираем ближайший резистор = 330 Ом. Рассуждения по поводу выбора трансформатора уже приводились выше, повторяться не будем.

Как это реализовано можно посмотреть на фото контроллера управления температурой сушильного шкафа (справа, между реле, виден трансформатор Т04-90А-25-Т/25К-18, слева сетевой трансформатор питания ТТН3):

Вид снизу на контроллер, трансформатор Т04-90А-25-Т/25К-18 впаян в разрыв токоведущей шины (широкая шина справа), под трансформатором расположен диодный мост, нагрузочный резистор и сглаживающий конденсатор (стабилитрон пока не установлен), слева PIC16F630.

Если взять резистор сопротивлением побольше расчетного, в этом случае можно снизить требования по емкости сглаживающего конденсатора. В данном примере совсем не обязательно проверять, что нагрузка именно 1 кВт. Она либо есть, либо ее нет. Так что, если контроллер увидит нагрузку не 1 кВт,а 100Вт, это никого не обидит, лишний ток заберет на себя защитный диод, в общем все довольны. Однако, если взять за основу данную схему, то можно обеспечить дистанционный контроль не только за состоянием нагрузки (включена/выключена), но и, например, за количеством перегоревших ламп в подъезде или складе и т.д., т.е. контролировать подключенную мощность.

2. Простейшие защиты электродвигателей

Защиты бывают разные, но мы остановимся на защите от холостого хода (актуально для погружных насосов и насосных станций) и защите от перегрузки (например эл. двигатель открывания ворот). Все остальные применения будут находится между этими вариантами.

2.

1. Защита от холостого хода.

Наша задача отключить исполнительное устройство в том случае, если в процессе работы произошло снижение тока потребления ниже заданной величины. Рассмотрим как это сделать. Если мы поставим в разрыв токоведущей шины токовый трансформатор, то, при протекании тока, на его выходе будет создаваться ЭДС, пропорциональная протекающему току. Достаточно эту ЭДС выпрямить, сгладить и передать на исполнительное устройство. Как только ЭДС снизится ниже определенного порога — исполнительное устройство выключится, отключив эл. двигатель. Идея понятна? Идем дальше.

Раз мы имеем на выходе напряжение, что у нас работает от напряжения и не хочет при этом потреблять ток? Конечно полевой транзистор. Как его заставить коммутировать нагрузку при переменном токе? Тоже не проблема — включить его в диагональ моста. Транзистор открыт — мост закорочен, ток через мост идет. Транзистор закрыт — ток через мост не течет, нагрузка отключена. Если в качестве нагрузки включить обмотку реле магн. пускателя — можно управлять двигателем насоса. Ток течет через насос, транзистор открыт, пускатель под напряжением, ток снизился — напряжение снизилось, транзистор закрылся, пускатель выключился, ток упал до нуля, насос выключен. Запуск только вручную (кнопка параллельно мосту) шунтированием моста. Ток потек, транзистор открылся и шунтировал мост параллельно кнопке, бросил кнопку — все работает. ток снизился — все выключилось. Учитывая, что трансформатор электрически изолирован от силовой цепи, его можно смело включать непосредственно на вход полевого транзистора. Если ЭДС > 5.5в (1.2в падение при выпрямлении и 4в — пороговое напряжение полевого транзистора) — транзистор открыт, ниже — транзистор закрыт. Как посчитать нагрузочный резистор для нужного входного тока в п.1. не раз приводилось, так что опустим этот аспект. Как выбрать трансформатор по ЭДС также описано. Не забудьте защитить затвор полевого транзистора стабилитроном от возможного пробоя (обычно 10в.). Учтите, если поставить на затвор полевика управляемый напряжением ключ, да еще и с гистерезисом — можно коммутировать непосредственно саму нагрузку данным устройством. Самое приятное — для такого устройства не требуется внешнее питание, вполне хватает генерации напряжения от тока нагрузки.

2.2 Безконтактное пусковое реле

Здесь даже и писать особенно нечего — это задача п.2.1, с той лишь разницей, что нагрузкой является пусковая обмотка двигателя. При пуске потек значительный ток — подключим пусковую обмотку, двигатель раскрутился, ток снизился — пусковая обмотка сама выключилась. Самое приятное — никаких контактов.

2.3 Защита от перегрузки

Фактически это тоже задача п.2.1, с той лишь разницей, что нагрузку надо выключить если ток возрос, например автоматическое открывание ворот — двигатель довел ворота до упора, пошла перегрузка двигателя (он толкает, а толкать то некуда дальше) — исполнительное устройство отключило пускатель. Можно применить полевик во встроенным каналом (он открыт при нулевом напряжении, а закрывается подачей отрицательного напряжения), но их нет на большие токи и напряжения. Хотя как датчик края вполне хорош, нет контактов и питания, монтируется в любом месте силового кабеля. А вот если поставить инвертирующий каскад перед обычным полевиком, правда потребуется его запитывать (т.е. полностью автономное устройство не получится), то можно управлять магнитным пускателем на отключение. Так как ток потребления маленький, на схему надо подать небольшое напряжение с параметрического стабилизатора с конденсатором в качестве гасящего резистора. Получается также вполне жизнеспособно.

3. Работаем с постоянным током.

3.1 Контроль постоянного тока

Как сделать защиту от перегрузки в цепи постоянного тока? Попробуем оценить этот ток трансформаторм тока. Казалось-бы, как трансформатор будет работать с постоянным током? Как известно — трансформатор работает только в переменном магнитном поле, которое постоянный ток создать не может. Идея проста — создать такое переменное поле, чтобы он смог работать. Однако, если во вторичку давать ток, то и в первичке будет также создаваться ток и влиять на измеряемую цепь. А этого делать нельзя. Давайте возьмем два одинаковых трансформатора, оденем их на общий токоведущий провод, а вторичные обмотки включим последовательно встречно. Теперь, если мы будем подавать переменный ток во вторички, в первичках будут наводиться ЭДС, пропорциональные току, но направленные встречно друг другу, т.е. в сумме равные 0. Таким образов влияние на первичную цепь мы исключим.

Скажете — ну и что с этого? А вот что. Как известно, зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков сильно зависит от напряженности магнитного поля. Т.е., если в обмотку трансформатора подать переменный ток, он будет создавать определенное магнитное поле в сердечнике, равное для обоих полуволн и величина индуктивности обмотки трансформатора будет одинакова для обоих полуволн. А вот если на сердечник наложить постоянное поле, тогда, в одну полуволну поля будут складываться, а в другую — вычитаться. В результате поле в одной полуволне будет больше, чем в другой, и индуктивности не будут равны. Если смотреть на примеры, описанные выше — мы всячески пытались избежать этого варианта и клеймили его как плохой режим работы трансформатора тока, а здесь он придется как раз в пору. . А что создаст нам постоянное поле? А это поле создаст проводник, проходящий через оба трансформатора, в котором мы и собирались имерить постоянный ток.

Помните, мы включили обмотки трансформаторов встречно? В сумме, индуктивности обоих трансформаторов будут постоянны в обоих полуволнах, ток также постоянен, а вот напряжения на них различны для каждой полуволны (индуктивности же разные). Т.е., если проводить замер напряжения на одной из обмоток, оно будет разное для каждой полуволны. Момент можно усугубить, если взять соединенные последовательно 2 резистора, включить их параллельно обмоткам трансформаторов и снимать напряжение со средних точек. Получается измерительный мост и мы снимаем уже разницу напряжений для каждой полуволны. Если направление тока в первичке не представляет интерес, это напряжение с выхода моста можно выпрямить и работать с постоянным напряжением, пропорциональным постоянному току.

Следует учесть, что зависимость магнитной проницаемости от поля нелинейна, и мы не сможем получить линейный выходной сигнал с выхода этой схемы в широком диапазоне.

3.2 Измерение постоянного тока.

Как замерить ток мощного эл. двигателя, работающего от аккумулятора? А как померить ток в цепи под высоким напряжением? Да в принципе точно также как описано выше в небольшом диапазоне или так-же в широком, но с той лишь разницей, что ток надо дать такой, что-бы трансформаторы входили в режим насыщения. В этом случае мы можем уже оценивать не напряжение на выходе, а длительность нахождения трансформатора в режиме насыщения в каждой полуволне или же сам факт вхождения в режим насыщения. Посмотреть на искажения сигнала в режиме насыщения можно на фото:

Эти фото уже фигурировали в предыдущих заметках. Понятно, чем глубже трансформатор уходит в насыщение, тем больше горизонтальная полка. Берем диф. сигнал и работаем с ним. Я не предполагаю детально рассматривать схемотехнические решения, но очень неплохо ввести в обратную связь усилитель сигнала генератора, управляемый напряжением и контролировать уже не сам диф. сигнал, а управляющее напряжение этого усилителя. можно подать линейно изменяюшийся сигнал и ловить его длительность до момента насыщения трансформатора. Можно запустить подмагничивание постоянным током во вторичку (его величина меньше измеряемого тока в коэфф. трансформации раз!) и наложить на него переменный ток. Управляя током подмагничивания добиваться постоянства напряжения на катушке и замерять ток подмагничивания. В общем способов масса, а описание практической реализации займет уйму места и потребует столько-же времени для изучения. Так что на этом и ограничимся.

Управление мощной нагрузкой переменного тока

Тиристор

Иногда нужно слабым сигналом с микроконтроллера включить мощную нагрузку, например лампу в комнате. Особенно эта проблема актуальна перед разработчиками умного дома. Первое что приходит на ум — реле. Но не спешите, есть способ лучше 🙂

В самом деле, реле это же сплошной гемор. Во первых они дорогие, во вторых, чтобы запитать обмотку реле нужен усиливающий транзистор, так как слабая ножка микроконтроллера не способна на такой подвиг. Ну, а в третьих, любое реле это весьма громоздкая конструкция, особенно если это силовое реле, расчитанное на большой ток.

Если речь идет о переменном токе, то лучше использовать симисторы или тиристоры. Что это такое? А сейчас расскажу.

Симистор BT139

Схема включения из даташита на MOC3041

Если на пальцах, то тиристор похож на диод, даже обозначение сходное. Пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую. Но есть у него одна особенность, отличающая его от диода кардинально — управляющий вход.
Если на управляющий вход не подать ток открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется. Полярность управляющего напряжения предпочтительно должна совпадать с полярностью напряжения на аноде.

Если соединить встречно параллельно два тиристора, то получится симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.

На положительной полуволне синусоиды пропускает один, на отрицательной другой. Причем пропускают только при наличии управляющего сигнала. Если сигнал управления снять, то на следующем же периоде оба тиристора заткнутся и цепь оборвется. Крастота да и только. Вот ее и надо использовать для управления бытовой нагрузкой.

Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер MOC3041. Замечательная вещь!
Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке. Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.

Вообще, можно и без развязки и тоже будет работать, но за хороший тон считается всегда делать потенциальную развязку между силовой и управляющей частью. Это и надежность и безопасность всей системы. Промышленные решения так просто набиты оптопарами или всякими изолирующими усилителями.

Ну, а в качестве симистора рекомендую BT139 — с хорошим радиатором данная фиговина легко протащит через себя ток в 16А

Все своими руками Как увеличить напряжение сети 220В своими руками

Опубликовал admin | Дата 6 июля, 2016

Падение напряжения в первичной сети 220 вольт является иногда очень серьезной проблемой в сельской местности, да и не только. Холодильник не запускается, плитка не греет, утюгом не погладишь, паяльником не припаяешь, да мало ли… . Если падение напряжения для нагревательных приборов, имеющих для сети активное сопротивление, явление не летальное, то для аппаратуры, в которой установлены двигатели, в частности – холодильники, оно может стать последним в их жизни.

Начнем с простого, с нагревательной аппаратуры. Так как форма напряжения для нагревателей, не имеет ни какого значения, то поднять действующее (среднеквадратичное или эффективное) значение напряжения питания для них нет ни какой проблемы. Смотрим схемку.

Эта приставка напряжение сети (фиг.1) сперва выпрямляет (фиг.2), а потом за счет энергии, запасенной в конденсаторах, увеличивает эффективное напряжение, см. фигуру 3.

Выпрямительный мост можно использовать, как готовый, так и спаять из отдельных диодов. В сельской местности линии электропередачи воздушные и высоковольтные импульсные всплески напряжения не редкость, так что, выбирая элементы выпрямителя, обратите внимание на максимальное рабочее напряжение диодов. Чем выше, тем лучше, в разумных пределах конечно. Рабочий ток диодов должен превышать ток нагрузки раза в 2 в 3. Емкость конденсаторов вам придется подобрать самим. Она зависит и от величины провала напряжения сети и от мощности вашего нагревателя. С этой приставкой будьте осторожны, если напряжение сети восстановится до нормы, то на ее выходе напряжение будет выше рабочего напряжения нагрузки. Величина превышающего напряжения зависит от величины емкости подключенных в данный момент конденсаторов. Отсюда и необходимый запас по току диодов. У меня такая приставка имеется для большого паяльника 100Вт в виде топора, для его быстрого разогрева.

Теперь про, например холодильник. Этому товарищу необходим переменный синус. Конечно, можно купить и автотрансформатор и стабилизатор. Но можно обойтись и простым трансформатором, так называемым трансформатором вольтдобавки. Смотрим схемку.

Из схемы видно, что последовательно с верхним проводом сети 220 вольт включена дополнительная обмотка трансформатора. Если ее включить синфазно с сетью, то напряжения будут складываться (когда надо поднять напряжение), Если ее включить противофазно, то напряжение сети и напряжение на вторичной обмотке трансформатора будут вычитаться, это тот случай, когда напряжение надо уменьшить.

Как повысить напряжение сети, расчеты.

Теперь давайте немного посчитаем, хотя бы примерно. Допустим провал напряжения у вас тридцать вольт. Необходимый ток нагрузки равен пяти амперам. Отсюда следует, что нам необходима мощность 150Вт. С такое мощностью гарантированно справится трансформатор от старого лампового телевизора. Например, ТС-180.
Трансформатор ТС-180, ТС-180-2, ТС180-2В параметры скачать

Так, скачали данные, нашли ТС-180, Складываем все витки первичных обмоток, 375+58+375+58=866 витков. Находим число витков на один вольт 866/220 = примерно, 4 витка на вольт. Для получения необходимых нам 30В умножаем 30 на 4 = 120витков. По 60 витков на катушку (у ТС-180 их две). Диаметр провода для пяти ампер равен 0,7 √I = 0,7√5 = 0,7∙2,236 ≈ 1,56 мм. Небольшие пояснения. Я всегда после разборки заводских трансформаторов увеличиваю число витков первичной обмотки, в первую очередь это связано с тем, что обратно собрать сердечник, как это делают в условиях производства, не удастся. Поэтому увеличение тока холостого хода (возможно в несколько раз из-за отсутствия ферронаполнителя в зазоре, т.к. сердечник разрезной) гарантировано. Да и броневой сердечник полностью не собрать, пластина 1,2,3, все равно останутся.

Вы, наверное, уже заметили, что через такой трансформатор можно питать двигатель мощностью один киловатт. В схеме нет тумблера для подключения нашего трансформатора. Он может коммутировать, как первичную обмотку трансформатора, но здесь будут потери из-за постоянно включенной в сеть вторичной обмотки, так переключать саму вторичную обмотку, но здесь будут потери из-за постоянно включенной первичной обмотки. Пока пишу этот текст, пришла в голову идея. Сейчас допишу и нарисую схему. Так вот, для коммутации трансформатора потребуется два переключателя или один с несколькими направлениями. Все теперь об идее, схему нарисовал. Смотрим схему.

И так, переключатель в нижнем положении, трансформатор добавляет напряжение. Переключатель в верхнем положении, первичная обмотка замкнута накоротко, значит и во вторичной обмотке короткое замыкание, а это ничто иное, что трансформатор исчез, осталось только активное сопротивление вторичной обмотки.

Тааа…к, родилась еще одна схема. Сейчас нарисую. Что же я раньше до этого не додумался, хотя в Сети, может быть, уже давно кто-то это нарисовал. Смотрим.

Если переключатели оба внизу или оба вверху, то трансформатора в цепи нет, в первичной обмотке режим КЗ, оставшееся активное сопротивление менее Ома. Теперь левый вверх, правый вниз – трансформатор, например, добавляет напряжение, а правый вверх левый вниз – убавляет. Ну, вот и все, может, кому это и пригодится. Успехов. К.В.Ю. Да, еще чуть, чуть. А если вместо переключателей применить Н-мост из полевых транзисторов, да еще микроконтроллер, следящий за уровнем сетевого напряжения, то можно, наверное, сделать стабилизатор переменного напряжения релейного типа с маленьким (относительно) трансформатором на большую (относительно) мощность. Кто бы только все это сделал. По крайней мере есть над чем подумать.
Скачать статью

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:13 872

Закон Ома (страница 3)

Решение:
Падения напряжения на резисторах R₁ и R₂, а также на резисторах 2R₁ и 2R₂ пропорциональны их сопротивлениям. Поэтому падение напряжения на резисторе R равно нулю и ток через него не проходит. Через резистор R₂ течет ток


18 Один полюс источника тока с э. д. с. ε = 1400 В и внутренним сопротивлением r = 2,2 Ом подключен к центральной алюминиевой жиле кабеля (диаметр жилы D₁ = 8мм), другой — к его свинцовой оболочке (наружный диаметр D₂ =18 мм, внутренний — d₂ = 16 мм). На каком расстоянии l от источника кабель порвался и произошло замыкание жилы с оболочкой, если начальный ток короткого замыкания I=120 А? Удельные сопротивления алюминия и свинца ρ₁ =0,03 мкОм·м и ρ₂ = 0,2 мкОм·м.

Решение:
Полное сопротивление цепи R= R₁ + R₂ + r, где сопротивления жилы и оболочки до места замыкания

Ток в цепи I= e/R; отсюда

19 Найти ток I, текущий через резистор с сопротивлением R₁ в схеме, параметры которой даны на рис. 107, в первый момент после замыкания ключа, если до этого напряжение на конденсаторе было постоянным.

Решение:
Напряжение на конденсаторе V=ε. Это же напряжение будет в первый момент после замыкания ключа на резисторе R₁. Поэтому текущий через него в этот момент ток I=ε/R₁.

20 Найти напряжения V₁ и V₂ на конденсаторах с емкостями С₁ и С₂ в схеме, параметры которой даны на рис. 108.

Решение:
После включения источника тока с э. д. с. ε конденсаторы зарядятся, и, когда ток прекратится, все их обкладки, соединенные с резистором R, будут иметь одинаковый потенциал. Конденсаторы с емкостями С+С₁ и С+С₂ включены последовательно с источником тока. Общее напряжение на них V₁+V₂ =ε, а заряд на них

отсюда

21 Найти заряды q₁, q₂ и q₃ на каждом из конденсаторов в схеме, параметры которой даны на рис. 109.

Решение:
Обкладки конденсатора C₁ замкнуты через резисторы R₁ и R₂. Поэтому заряд на этом конденсаторе q₁=0 (после прекращения зарядки конденсаторов С₂ и С₃). Так как после зарядки конденсаторов токи в схеме не протекают, то напряжения на конденсаторах С₂ и С₃ равны ε. Следовательно,

22 В цепь, питаемую источником тока с внутренним сопротивлением r = 3 Ом, входят два резистора с одинаковыми сопротивлениями R₁ = R₂ = 28 Ом, включенные параллельно, и резистор с сопротивлением R₃ = 40 Ом (рис.110). Параллельно резистору R₃ подключен конденсатор емкости С=5 мкФ, заряд которого q=4,2 Кл. Найти э. д. с. ε источника.

Решение:
Падение напряжения на резисторе R₃ будет V=q/C=IR₃; отсюда ток, текущий через этот резистор, I=q/CR₃. Полное сопротивление цепи и э. д. с. источника тока


23 Два резистора с одинаковыми сопротивлениями R₁ =25 Ом и резистор с сопротивлением R₂ = 50 Ом подключены к источнику тока по схеме, изображенной на рис. 111. К участку ab подключен конденсатор емкости С = 5 мкФ. Найти э. д. с. ε источника тока, если заряд на конденсаторе q = 0,11 мКл.

Решение:


24 Найти заряд на конденсаторе емкости С в схеме, параметры которой даны на рис. 112.

Решение:
Сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно велико. Поэтому после зарядки конденсатора по резистору R₃ ток протекать не будет. Не будет и падения напряжения на этом резисторе. Следовательно, точка а и верхняя обкладка конденсатора будут иметь одинаковый потенциал. Потенциал же точки b будет равен потенциалу нижней обкладки конденсатора. Таким образом, напряжение на конденсаторе будет равно падению напряжения на резисторе R₂. Ток в цепи

отсюда заряд на конденсаторе

25 Найти напряжение на конденсаторе емкости в схеме, параметры которой даны на рис. 113.

Решение:


26 Источник тока с внутренним сопротивлением r=10м замкнут на резистор с сопротивлением R. Вольтметр, подключенный к зажимам источника, показывает напряжение V₁=20 B. Когда параллельно резистору с сопротивлением R присоединен резистор с таким же сопротивлением R, показание вольтметра уменьшается до V₂ = 15 B. Найти сопротивление резистора R, если сопротивление вольтметра велико по сравнению с R.

Решение:
Напряжения на зажимах источника тока в первом и во втором случаях V₁=I₁R и V₂=I₂R/2. Токи в общей цепи в этих случаях

отсюда


27 К источнику тока с э. д. с. ε = 200 В и внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом подключены последовательно два резистора с сопротивлениями R₁ = 100Ом и R₂ = 500 Ом. К концам резистора R₂ подключен вольтметр. Найти сопротивление R вольтметра, если он показывает напряжение V=160 В.

Решение:
Падение напряжения на резисторе R₂ (и на вольтметре) V=IRо (рис. 358), где R₀ = R₂R/(R₂ + R)-сопротивление параллельно включенных вольтметра и резистора R₂. Ток в общей цепи равен

Решая совместно эти уравнения, получим

Тот же результат можно получить, решая систему уравнений

28 Проволока из нихрома изогнута в виде кольца радиуса а=1 м (рис.114). В центре кольца помещен гальванический элемент с э. д. с. ε = 2 В и внутренним сопротивлением r=1,5 0м. Элемент соединен с точками с и d кольца по диаметру с помощью такой же нихромовой проволоки. Найти разность потенциалов между точками cad. Удельное сопротивление нихрома ρ=1,1мкОм⋅м, площадь сечения проволоки S= 1 мм².

Решение:
В эквивалентной схеме резисторы R₁ соответствуют проволокам, соединяющим элемент с кольцом, а резисторы R₂-двум половинам кольца (рис. 359). Полное внешнее сопротивление цепи

Ток в общей цепи

Разность потенциалов между точками с и d


29 К источнику тока с внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключены два параллельно соединенных резистора с сопротивлениями R₁ = 10 Ом и R₂ = 2 Ом. Найти отношение токов, протекающих через резистор R₁ до и после обрыва в цепи резистора R₂.

Решение:


30 Два резистора с сопротивлениями R₁ = R₂ = 1 Ом и реостат, имеющий полное сопротивление R₃ = 2 Ом, присоединены к источнику тока с внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом (рис. 115). К разветвленному участку цепи подключен вольтметр. Когда движок реостата находится на его середине (точка а), вольтметр показывает напряжение V_a=13 В. Каково будет показание вольтметра, если движок передвинуть в крайнее правое положение на реостате? Сопротивление вольтметра велико по сравнению с R₁ и R₂.

Решение:


31 Шесть проводников с одинаковыми сопротивлениями R₀ = 2 Ом соединены попарно параллельно. Все три пары соединены последовательно и подключены к источнику тока с внутренним сопротивлением r=1 Ом. При этом по каждому проводнику течет ток I₀ = 2,5А. Какой ток будет течь по каждому проводнику, если один из них удалить?

Решение:
Сопротивление каждой пары проводников равно R₀/2. Полное внешнее сопротивление цепи до удаления одного из проводников R₁=3R₀/2. По закону Ома для полной цепи

отсюда э. д. с. источника тока

После удаления одного из проводников полное внешнее сопротивление цепи

Ток в общей цепи

Через проводник, оставшийся без пары, будет идти ток

а через остальные проводники будут идти токи I₂/2 = 2 А.

32 Источник тока с э. д. с. ε = 100 В и внутренним сопротивлением r = 0,2 Ом и три резистора с сопротивлениями R₁ = 3 Ом, R₂ = 2 Ом и R₃ = 18,8 Ом включены по схеме, изображенной на рис. 116. Найти токи, текущие через резисторы R₁ и R₂.

Решение:


33 К источнику тока с э. д. с. e=120 В и внутренним сопротивлением r=10 Ом подключены два параллельных провода с сопротивлениями R₁ =20 Ом. Свободные концы проводов и их середины соединены друг с другом через две лампы с сопротивлениями R₂ = 200 Ом. Найти ток, текущий через источник тока.

Решение:
Верхняя лампа и провода, идущие к ней, начиная от места присоединения нижней лампы (рис. 360), образуют последовательную цепочку с сопротивлением R₃=R₁+R₂. Эта цепочка соединена параллельно с нижней лампой и вместе с ней образует сопротивление

Полное внешнее сопротивление цепи

Через источник тока течет ток


34 При замыкании источника тока на резистор с сопротивлением R₁=5 Ом в цепи идет ток I₁ = 5 А, а при замыкании на резистор с сопротивлением R₂ = 2 Ом идет ток I₂ = 8 А. Найти внутреннее сопротивление r и э. д. с. источника тока ε.

Решение:
Если ε и r — э. д. с. и внутреннее сопротивление источника тока, то

Из этих уравнений имеем


35 При замыкании источника тока на резистор с сопротивлением R₁ = 14 Ом напряжение на зажимах источника V₁ = 28 В, а при замыкании на резистор с сопротивлением R₂ = 29 Ом напряжение на зажимах V₂ = 29 В. Найти внутреннее сопротивление r источника.

Решение:


36 Амперметр с сопротивлением R₁ = 2 Ом, подключенный к источнику тока, показывает ток I₁ = 5 А. Вольтметр с сопротивлением R₂ = 150 Ом, подключенный к такому же источнику тока, показывает напряжение V=12B. Найти ток короткого замыкания I_к источника.

Решение:
При подключении к источнику тока амперметра через него течет I₁=ε/(R1+r), где ε — э. д. с. батареи, а r — ее внутреннее сопротивление; при подключении к источнику тока вольтметра через него течет ток I₂=ε/(R₂+r), и вольтметр показывает напряжение

отсюда

Ток короткого замыкания (при равном нулю внешнем сопротивлении)

37 Два параллельно соединенных резистора с сопротивлениями R₁=40 Ом и R₂ = 10 Ом подключены к источнику тока с э. д. с. ε=10 В. Ток в цепи I=1 А. Найти внутреннее сопротивление источника и ток короткого замыкания.

Решение:


38 Аккумулятор с э. д. с. ε = 25 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом заряжается от сети с напряжением V=40 В через сопротивление R = 5 Ом. Найти напряжение V_а на зажимах аккумулятора.

Решение:
При зарядке аккумулятор включается навстречу источнику тока. Во время зарядки ток внутри аккумулятора течет от положительного полюса к отрицательному. Напряжение сети V=ε+I(R+r), где I-ток зарядки; отсюда I=(V-ε)/(R+r). Напряжение на зажимах аккумулятора

Диод на половинную мощность | Форум электроники (схемы, проекты и микроконтроллеры)

1/2 напряжения = 1/4 мощности. Опять этот надоедливый закон обратных квадратов! E

Это не закон обратных квадратов, и это не половина напряжения.

Закон обратных квадратов касается электромагнитного излучения. Мощность в резисторе пропорциональна квадрату напряжения, обратного напряжения нет.

В любом случае, напряжение не уменьшается вдвое, в зависимости от того, как вы его усредняете, но есть несколько способов рассчитать среднее напряжение.

Вы можете просто измерить среднее напряжение с помощью измерителя постоянного тока. Он будет показывать ноль с полной формой волны переменного тока и довольно много с полуволновой выпрямленной формой волны, так что это будет увеличиваться.

При измерении среднеквадратичного значения переменного напряжения. (среднеквадратическое значение маршрута), как обычно измеряется напряжение сети переменного тока, напряжение будет снижено до 70,7% от того, что было раньше. Часто используются среднеквадратичные значения напряжения и тока, поскольку они позволяют просто рассчитать мощность.

Положительное пиковое напряжение не изменится при добавлении диода.

Отрицательное пиковое напряжение было бы той же величины, что и положительное пиковое значение без диода, но было бы нулевым с диодом.

Пиковое напряжение будет уменьшено вдвое при добавлении thd диода.

Также остается только гадать, как вольтметры, особенно дешевые, измеряют несинусоидальные напряжения. Вольтметр с истинным среднеквадратичным значением показывает полуволновое выпрямленное напряжение, составляющее 70,7% от напряжения.

В любом случае средняя мощность уменьшается вдвое, потому что та же мощность потребляется только в течение только половины времени.Это действительно так просто. Не существует квадратичного закона для работы в течение некоторой части времени. Если вы используете устройство половину времени, оно потребляет половину энергии. Я предполагаю, что вы заметили, что если вы проехали половину этого расстояния, ваша машина потребляет примерно половину количества бензина, а не четверть …

Если бы у вас была прямоугольная волна, включенная половину времени и выключенная. в половине случаев он будет показывать половину напряжения на вольтметре постоянного тока. Однако, если бы эта прямоугольная волна была нагружена резистором, мощность не была бы такой, как если бы напряжение было постоянным и равным половине пика.

Скажем, 10 В, 100 Ом

Полная мощность = 1 Вт

прямоугольная волна, рабочий цикл 50%. Среднее напряжение 5 В
При включении 1 Вт. При выключении 0 Вт, поэтому среднее 0,5 Вт

Половина напряжения, 5 В, мощность
составляет 0,25 Вт

Как сделать схему преобразователя 220 В в 110 В

В этом посте мы раскроем несколько самодельных вариантов схем преобразователя с 220 В в 110 В, которые позволят пользователю использовать его для управления небольшими гаджетами с различными характеристиками напряжения.

ОБНОВЛЕНИЕ:

Схема SMPS является рекомендуемым вариантом для создания этого преобразователя, поэтому для конструкции преобразователя SMPS 220 В в 110 В вы можете изучить эту концепцию.

Однако, если вас интересуют более простые, хотя и грубые версии преобразователя на 110 В, вы можете определенно совершить экскурсию по различным конструкциям, описанным ниже:

Зачем нам нужен преобразователь 220 В в 110 В

В первую очередь указываются два уровня напряжения сети переменного тока странами по всему миру.Это 110В и 220В. США работают с внутренней линией сети переменного тока напряжением 110 В, в то время как европейские и многие азиатские страны поставляют 220 В переменного тока в свои города. Люди, закупающие импортные гаджеты из иностранного региона с другими характеристиками сетевого напряжения, сталкиваются с трудностями при эксплуатации оборудования с их розетками переменного тока из-за огромной разницы в требуемых уровнях входного сигнала.

Несмотря на то, что для решения вышеуказанной проблемы доступны преобразователи 220 В в 110 В, они большие, громоздкие и очень дорогие.

Настоящая статья объясняет несколько интересных концепций, которые могут быть реализованы для создания компактных бестрансформаторных схем преобразователя 220В в 110В.

Предлагаемые самодельные преобразователи могут быть настроены и рассчитаны в соответствии с размером устройства, чтобы их можно было вставлять и размещать прямо внутри конкретного устройства. Эта функция помогает избавиться от больших и громоздких преобразователей и помогает избежать ненужного беспорядка.

ВНИМАНИЕ: ВСЕ ОБСУЖДАЕМЫЕ ЦЕПИ ИМЕЮТ ПОТЕНЦИАЛЫ ВЫЗЫВАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЖИЗНИ И ПОЖАРА. ПРИ РАБОТЕ С ЭТИМИ ЦЕПЯМИ РЕКОМЕНДУЕТСЯ КРАЙНЕ ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ.

Все эти принципиальные схемы были разработаны мной, давайте узнаем, как их можно построить дома и как работает схема:

Использование только последовательных диодов

Первая схема преобразует входное напряжение 220 В переменного тока в любой желаемый выходной уровень из От 100 В до 220 В, однако на выходе будет постоянный ток, поэтому эту схему можно использовать для работы с иностранным оборудованием, которое может использовать входной каскад источника питания переменного / постоянного тока SMPS. Преобразователь не будет работать с оборудованием, имеющим на входе трансформатор.

ВНИМАНИЕ: Диоды рассеивают много тепла, поэтому убедитесь, что они установлены на подходящем радиаторе .

Как мы все знаем, нормальный диод, такой как 1N4007, падает на 0,6–0,7 вольт при подаче постоянного тока, это означает, что многие диоды, включенные последовательно, будут понижать соответствующее количество напряжения на них.

В предлагаемой конструкции было использовано 190 диодов 1N4007, включенных последовательно для достижения желаемого уровня преобразования напряжения.

Если умножить 190 на 0.6, он дает около 114, так что это довольно близко к требуемой отметке в 110 В.

Однако, поскольку для этих диодов требуется входной постоянный ток, еще четыре диода подключаются в виде мостовой сети для первоначально требуемого 220 В постоянного тока в цепи.

Максимальный ток, который может потребляться от этого преобразователя, составляет не более 300 мА или около 30 Вт.

Использование схемы Triac / Diac

Следующий вариант, представленный здесь, не тестировался мной, но выглядит мне хорошо, однако многие сочтут эту концепцию опасной и очень нежелательной.

Я спроектировал следующую схему преобразователя только после тщательного исследования связанных с этим проблем и подтверждения ее безопасности.

Схема основана на принципе обычной схемы переключателя светорегулятора, где входная фаза прерывается на определенных отметках напряжения нарастающей синусоидальной волны переменного тока. Таким образом, схему можно использовать для установки входного напряжения на требуемом уровне 100 В.

Соотношение резисторов R3 / R5 в цепи было точно отрегулировано для получения требуемых 110 В на выходных клеммах через нагрузку L1.

Конденсатор 100 мкФ / 400 В можно увидеть последовательно с нагрузкой для дополнительной безопасности.

В качестве альтернативы может быть изготовлена ​​более простая версия схемы, в которой главный симистор высокого уровня управляется через дешевый переключатель светорегулятора для достижения желаемых результатов.

Использование емкостного источника питания

На следующем изображении показано, как можно использовать простой конденсатор высокой емкости для достижения запланированного выходного напряжения от 220 до 110 В. По сути, это схема симисторного лома, в которой симистор шунтирует дополнительные 110 В на землю, позволяя выходить только 110 В через выходную сторону:

Использование концепции автотрансформатора

Последняя схема в порядке, возможно, самая безопасная из вышеперечисленных, потому что она использует традиционную концепцию передачи мощности посредством магнитной индукции, или, другими словами, здесь мы используем устаревшую концепцию автотрансформатора для создания желаемого преобразователя на 110 В.

Однако здесь у нас есть свобода конструировать сердечник трансформатора так, чтобы его можно было вставить внутри конкретного корпуса гаджета, который должен работать от этого преобразователя. В гаджетах, таких как усилитель или другие подобные системы, всегда будет какое-то место, что позволяет нам измерить свободное пространство внутри гаджета и настроить основной дизайн.

Я показал здесь использование обычных стальных пластин в качестве материала сердечника, которые складываются вместе и скрепляются болтами между двумя наборами.

Болтовое соединение двух комплектов пластин обеспечивает некоторый эффект петли, обычно необходимый для эффективной магнитной индукции через сердечник. Обмотка одинарная, длинная от начала до конца, как показано на рисунке. Центральный отвод обмотки будет обеспечивать необходимое выходное напряжение 110 В переменного тока.

Использование симистора с транзисторами

Следующая схема была взята из старого электронного журнала Elektor, в котором описана аккуратная маленькая схема для преобразования входного сетевого напряжения 220 В в 110 В переменного тока.Давайте узнаем больше о деталях схемы.

Работа схемы

На показанной принципиальной схеме бестрансформаторного преобразователя 220В в 110В используются симистор и тиристор, чтобы схема успешно работала как преобразователь 220В в 110В.

Правый конец схемы представляет собой конфигурацию переключения симистора, в которой симистор становится основным переключающим элементом.

Резисторы и конденсаторы вокруг симистора сохранены для обеспечения идеальных параметров управления симистором.

В левой части схемы показана другая схема переключения, которая используется для управления переключением правого симистора и, следовательно, нагрузкой.

Транзисторы в крайнем правом углу диаграммы просто необходимы для срабатывания тринистора Th2 в нужный момент.

Питание всей цепи подается через клеммы K1 через нагрузку RL1, которая фактически является указанной нагрузкой 110 В.

Первоначально полуволна постоянного тока, полученная через мостовую сеть, заставляет симистор проводить через нагрузку полные 220 Вольт.

Однако в ходе работы мост начинает активироваться, в результате чего соответствующий уровень напряжения достигает правой части конфигурации.

Создаваемый таким образом постоянный ток мгновенно активирует транзисторы, которые, в свою очередь, активируют тиристор Th2.

Это вызывает короткое замыкание на выходе моста, подавляя все триггерное напряжение на симисторе, который в конечном итоге перестает проводить, отключая себя и всю цепь.

Вышеупомянутая ситуация возвращает и восстанавливает исходное состояние схемы и инициирует новый цикл, и система повторяется, что приводит к контролируемому напряжению на нагрузке и на самой себе.

Компоненты конфигурации транзисторов выбраны таким образом, чтобы напряжение симистора никогда не превышало отметку 110 В, что позволяет поддерживать напряжение нагрузки в заданных пределах.

Показанные «УДАЛЕННЫЕ» точки должны быть нормально соединены.

Схема рекомендована только для работы с резистивными нагрузками, рассчитанными на 110 В, менее 200 Вт.

Принципиальная схема

Как сделать схему контроллера нагревателя на 25 А, 1500 Вт

В этой статье мы попытаемся понять, как создать простую схему контроллера нагревателя на 1500 Вт при токе 25 А с использованием обычного диммерного переключателя на основе симистора. схема

Использование усовершенствованных демпферных симисторов

Для управления нагревателями мощностью до 1500 Вт требуются строгие спецификации с блоком управления для безопасного и эффективного выполнения намеченных операций.С появлением усовершенствованных демпферных симисторов и диодов создание контроллеров нагревателей на огромных ваттных мощностях сегодня стало относительно проще.

Здесь мы изучаем простую, но вполне подходящую конфигурацию, которую можно использовать для создания схемы контроллера нагревателя мощностью 1500 Вт.

Давайте разберемся с данной принципиальной схемой со следующими пунктами:

Как работает контроллер переменного тока симистора / диаак

Настройка схемы довольно стандартна, поскольку проводка очень похожа на те, которые обычно используются в обычных схемы переключателя регулятора освещенности.

Можно увидеть стандартные настройки симистора и диака для реализации базового переключения симистора.

Диак — это устройство, которое переключает ток между собой только после того, как на нем достигается определенная заданная разность потенциалов.

Следующие сетевые резисторы и конденсаторы, связанные с диаком, выбраны таким образом, чтобы они позволяли диаку работать только до тех пор, пока синусоида остается ниже определенного уровня напряжения.

Как только синусоида пересекает указанный выше уровень напряжения, диак прекращает работу и симистор выключается.

Поскольку в этом случае нагрузка или нагреватель включены последовательно с симистором, нагрузка также выключается и включается в соответствии с симистором.

Указанная выше проводимость симистора только для указанного участка кривой входного синусоидального напряжения приводит к выходу через симистор, в котором переменный ток прерывается на более мелкие участки, что приводит к общему среднеквадратичному значению результирующего падения до более низкого значения, в зависимости от от значений соответствующих резисторов и конденсаторов вокруг диак.

Бак, показанный на рисунке, используется для управления нагревательным элементом, который запускает описанную выше процедуру.Чем больше сопротивление, тем больше времени требуется для заряда и разряда конденсатора, что, в свою очередь, увеличивает время срабатывания пары диак / симистор.

Это удлинение удерживает симистор и нагрузку выключенными на более длинном участке синусоидальной кривой переменного тока, что приводит к соответственно более низкому среднему напряжению на нагревателе, а температура нагревателя остается на стороне более холодной.

И наоборот, когда потенциометр настроен на более низкое сопротивление, конденсатор заряжается и разряжается с большей скоростью, что делает указанный выше цикл быстрым, что, в свою очередь, поддерживает средний период переключения симистора на более высокой стороне, что приводит к более высокому среднему напряжению. к обогревателю.Нагреватель теперь выделяет больше тепла из-за повышенного среднего напряжения, возникающего на нем через симистор.

Принципиальная схема

Список деталей

Резисторы 1/4 Вт 5% CFR

• 15k = 1
• 330k = 1
• 33k = 1
• 270 Ом = 1
• 100 Ом188 Потенциометр 470k линейный или 220k линейный

Конденсаторы

• 0,1 мкФ / 250 В = 2
• 0,1 мкФ / 630 В = 2

Полупроводники

• DB-341/1

Индуктор 40uH 30 ампер (опционально)

Управление через Arduino Pwm

Вышеупомянутое простое управление переключателем диммера 220 В также может быть эффективно реализовано с использованием внешнего PWM-сигнала Arduino с помощью простого метода, показанного ниже:

Advanced Heater Controller with Snubber и устранение радиопомех

Как только напряжение вокруг C2 повышается примерно до 30 вольт (во время любого фазового цикла), Diac (D1) размыкается и выдает триггерный импульс. se для затвора симистора (TR1).Это приводит к включению симистора и подает все напряжение сети переменного тока на нагрузку, подключенную к SO1. Регулировка потенциометра R2 изменяет фазу (синхронизацию) запускающих импульсов, подаваемых на симистор, и, следовательно, изменяет средний уровень мощности, поступающей на нагрузку нагревателя.

Резистор R5 вместе с конденсатором C3 работает как демпферная сеть над симистором, чтобы защитить его от скачков напряжения обратной ЭДС, создаваемых индуктивной нагрузкой каждый раз, когда симистор выключается. Индуктор L1, который представляет собой дроссель на 50 мкГн, и конденсатор C4 сконфигурированы как фильтр подавления помех, что позволяет устранить радиочастотный шум, обычно генерируемый диммерами или контроллерами нагревателей этого типа.

Предварительная установка R3 регулирует минимальный начальный диапазон температуры нагревателя и помогает пользователю гарантировать, что питание нагревателя всегда начинается с минимальной мощности, когда R2 перемещается в минимальное положение, и нагреватель получает максимальную мощность, когда R2 перемещается в точку максимальной регулировки.

Дизайн печатной платы

Диммер мощностью 1000 Вт

Практически все диммеры, которые вы можете приобрести в обычных магазинах электротоваров, могут просто управлять довольно небольшой мощностью.Обычно допустимая мощность составляет несколько сотен ватт. Простая схема диммера, показанная ниже, предназначена для управления мощностью до 1 кВт. Что касается деталей схемы, то здесь особо нечего объяснять.

Этот высокомощный диммер включает в себя один симистор, один диак и RC-цепь, в которой период заряда и разряда конденсатора C2 можно фиксировать с помощью потенциометра P1. Шумовые помехи и переходные процессы контролируются конденсатором C1 и катушкой индуктивности L1.

Как установить

Для настройки схемы необходимо отрегулировать потенциометр P1 так, чтобы он достиг максимального сопротивления, а затем предустановку P2 необходимо настраивать до тех пор, пока подключенная лампа не окажется на грани отключения. Если используется лампа мощностью более 100 Вт, симистор должен быть прикреплен к радиатору, имеющему номинальную скорость теплопередачи около 6 ° C / Вт.

Когда схема используется как диммер на 1000 Вт, ограничительная катушка L1 должна быть рассчитана на ток 5 А со значением индуктивности, которое может достигать 40 мкГн, а предохранитель F1 должен быть рассчитан на 6.3 ампера.

Нагреватель на транзисторах и резисторах

Эта уникальная схема нагревателя, в которой используются транзисторы и резисторы для отвода тепла вместо катушки нагревателя, была разработана г-ном Норманом, но он столкнулся с проблемой со схемой. Проблему и решение для этой конструкции можно понять из следующего обсуждения:

Проблема:

Я разработал небольшой нагреватель с использованием регулятора напряжения LM7812 и транзисторов и резисторов Tip31c. Я тестировал его в течение нескольких часов и обнаружил проблему.Последние два резистора 56R сильно нагрелись, сгорели и опалили печатную плату. Схема прилагаю. Мне не удалось найти аналогичный проект на вашем веб-сайте, поэтому я пытаюсь связаться с вами через этот контактный пункт. Спасибо!

Решение:

Это выглядит очень странно, потому что резисторы на 56 Ом на эмиттере транзисторов должны заставлять транзистор равномерно рассеивать тепло между резисторами и транзисторами. Нагревание последних двух резисторов на 56 Ом означает, что последние два BJT проводят более свободно, чем остальные транзисторы.

Самый простой способ решить эту проблему — установить все транзисторы на общей алюминиевой ленте, чтобы транзисторы равномерно обменивались рассеиванием тела друг с другом и, таким образом, все транзисторы проводили и рассеивали одинаково.

Усилитель

— Усиление моего сигнала ЦАП 3,3 В до 220 В

ЦАП и усилитель были бы дорогим и сложным способом управления нагревателем.

У вас под рукой 230 В переменного тока — вы должны, потому что от этого работает обогреватель.

Используйте этот источник 230 В переменного тока, несколько SSR (твердотельных реле) и пару диодов.

Управляющий сигнал не управляет нагревательным элементом напрямую. Команды кажутся такими: команды контроллеру в обогревателе. Это означает, что вам не нужно переключать большую мощность, и вы можете использовать небольшие SSR и диоды для создания управляющих сигналов.

Сначала рассмотрим простые случаи:

1. Комфорт

2. Комфорт -1

3. Комфорт -2

4. Эко или редуктор

Все четыре могут управляться одним реле:

1. Реле разомкнуто

2. Цикл реле 4 мин 57 секунд выключено, 3 секунды включено

3. Цикл реле 4 мин 53 секунды выключено, 7 секунд включено

4. Реле на

Для каждого из двух других случаев требуется по одному диоду и реле.Поместите диод последовательно с каждым реле, каждый диод указывает в разном направлении.

Теперь вы выключаете главное реле и включаете одно из двух реле с помощью диода. Каждый отправляет свою команду

1. Используйте SSR с пересечением нуля. Они переключаются, когда напряжение переменного тока пересекает нулевое значение.

2. Используйте SSR, рассчитанные на работу от сети 230 В переменного тока.

3. Используйте диоды с пиковым обратным напряжением более 300 В.

4. Используйте диоды, рассчитанные на больший ток, чем требуется для цепи управления.

При этом вы можете использовать три цифровых выхода микропроцессора для отправки всех команд.

---

Будьте очень осторожны при работе с 230 В переменного тока. Вы должны соблюдать множество правил техники безопасности: поищите их, изучите, примените. Несоблюдение этого правила может убить вас.

При проектировании и компоновке цепей, использующих 230 В переменного тока, необходимо следовать многим методам проектирования. Посмотрите их. Узнай их. Следуйте за ними. В противном случае можно сжечь дом или ударить током вас или кого-то, кто использует это устройство.

Трансформатор

— паяльная станция 110В на 220В

Я по ошибке получил паяльную станцию ​​Aoyue 968A + на 110 В, и отправить ее на замену или продать не вариант. Я перепроектировал часть станции, ища самый дешевый способ преобразовать ее на вход 220 В (вместо использования трансформатора с 220 В на 110 В).

Это часть схемы привода насоса и термофена, которую я перепроектировал. Я блуждаю, если бы это можно было «исправить», поместив диод между, скажем, TRIAC и нагревательным элементом термофена, чтобы сократить половину синусоиды сети 220 В переменного тока.Насос, похоже, одинаковый для версий паяльной станции 220 В и 110 В переменного тока, поэтому я думаю, как я могу узнать, может ли 220 В переменного тока повредить насос.

^{смоделировать эту схему — Схема, созданная с помощью CircuitLab}

Нагревательный элемент термофена:

С другой стороны, есть также трансформатор с входом 110 В переменного тока и выходами 24 В и 9 В для паяльника и линейного регулятора 5 В, связанных с логической схемой соответственно.Можно ли решить проблему и срезать половину синусоидального сигнала 220 В переменного тока перед входом трансформатора? Я видел сообщение о полуволновом выпрямлении и изрядное обсуждение его влияния на трансформатор, поэтому другой вариант — попытаться намотать больше витков в первичную обмотку, будет ли это целесообразным или для этого потребуется слишком много работы / места? Мне еще предстоит перепроектировать эту часть схемы, но есть также триак BTA12-600C с оптической связью, который управляет нагревательным элементом паяльника.

Этикетка трансформатора:

Трансформатора Оставшееся место для дополнительной обмотки:

Это печатная плата со схемой управления нагревателями и насосом:

На стороне примечания: Я готов загрузить схему остальных цепей, если нужно идентифицировать MCU на нижнем уровне. Это 32-контактный разъем TQFP размером 7 мм x 7 мм с шагом 0,7 мм, обозначенный как «REN10 509 h4G1», со следующей распиновкой ->

Контакт 1 — 5 В

Контакт 2 — программирование «M»?

Контакт 3 — программирование «R»?

Контакт 4 — NC (в этой печатной плате)

Контакт 5 — GND

Контакт 6 — NC (в этой печатной плате)

Контакт 7 — 5 В

Контакт 8 — NC

Остальные пины — видимо GPIO

Диодные приложения (блоки питания, регуляторы и ограничители напряжения) [Analog Devices Wiki]

6.1 выпрямитель

Выпрямитель — это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC), процесс, известный как выпрямление. Выпрямители находят множество применений, в том числе в качестве компонентов источников питания и в качестве детекторов амплитудной модуляции (детекторов огибающей) радиосигналов. В выпрямителях чаще всего используются твердотельные диоды, но при очень высоких напряжениях или токах могут использоваться и другие типы компонентов. Когда для выпрямления переменного тока используется только один диод (блокируя отрицательную или положительную часть формы волны), разница между термином «диод» и термином «выпрямитель» заключается просто в использовании.Термин выпрямитель описывает диод, который используется для преобразования переменного тока в постоянный. Большинство выпрямительных схем содержат несколько диодов в определенной конфигурации для более эффективного преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, чем это возможно с использованием только одного диода.

6.1.1 Полуволновое выпрямление

При полуволновом выпрямлении либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока проходит, а другая половина блокируется. Поскольку только половина входного сигнала достигает выхода, его эффективность составляет только 50%, если используется для передачи энергии.Полупериодное выпрямление может быть достигнуто с помощью одного диода в однофазном питании, как показано на рисунке 6.1, или с помощью трех диодов в трехфазном питании.

Рисунок 6.1 Полупериодный выпрямитель с одним диодом

Выходное постоянное напряжение полуволнового выпрямителя при синусоидальном входе можно рассчитать по следующим идеальным уравнениям:

6.1.2 Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель преобразует как положительную, так и отрицательную половины входного сигнала в одну полярность (положительную или отрицательную) на своем выходе.При использовании обеих половин формы волны переменного тока двухполупериодное выпрямление более эффективно, чем полуволновое.

При использовании простого трансформатора без вторичной обмотки с отводом по центру требуются четыре диода вместо одного, необходимого для полуволнового выпрямления. Четыре расположенных таким образом диода называются диодным мостом или мостовым выпрямителем, как показано на рисунке 6.2. Мостовой выпрямитель также может использоваться для преобразования входа постоянного тока неизвестной или произвольной полярности в выход известной полярности. Обычно это требуется в электронных телефонах или других телефонных устройствах, где полярность постоянного тока на двух телефонных проводах неизвестна.Также существуют приложения для защиты от случайного переключения батарей в цепях с батарейным питанием.

Рисунок 6.2 Мостовой выпрямитель: двухполупериодный выпрямитель с 4 диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор имеет центральное ответвление, тогда два диода, соединенные спина к спине (, т.е. анод-анод или катод-катод) могут образовать двухполупериодный выпрямитель. На вторичной обмотке трансформатора требуется вдвое больше обмоток, чтобы получить такое же выходное напряжение, чем у мостового выпрямителя, описанного выше.Это не так эффективно с точки зрения трансформатора, потому что ток течет только в одной половине вторичной обмотки в течение каждого положительного и отрицательного полупериода входа переменного тока.

Рисунок 6.3 Двухполупериодный выпрямитель с центральным трансформатором с ответвлениями и 2 диодами.

Если включить вторую пару диодов, как показано на рисунке 6.4, то могут генерироваться напряжения как положительной, так и отрицательной полярности относительно центрального отвода трансформатора. Можно также рассматривать эту схему как такую ​​же, как добавление центрального ответвления ко вторичной обмотке в двухполупериодном мостовом выпрямителе, показанном на рисунке 6.2.

Рисунок 6.4 Двухполюсный двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением и 4 диодами.

ALM1000 Лабораторные диодные выпрямители

6.1.3 Сглаживание выхода выпрямителя

Полупериодное или двухполупериодное выпрямление не создает постоянного напряжения постоянного тока, как мы видели на предыдущих рисунках. Чтобы обеспечить стабильное постоянное напряжение от источника выпрямленного переменного тока, необходим фильтр или сглаживающая схема. В простейшей форме это может быть просто конденсатор, подключенный к выходу постоянного тока выпрямителя.По-прежнему останется некоторое количество пульсаций переменного тока, при котором напряжение не будет полностью сглажено. Амплитуда оставшейся пульсации зависит от того, насколько нагрузка разряжает конденсатор между пиками формы волны.

Рисунок 6.5 (a) RC-фильтр однополупериодного выпрямителя

Рисунок 6.5 (b) Двухполупериодный RC-фильтр выпрямителя

Выбор конденсатора фильтра C ₁ представляет собой компромисс. Для данной нагрузки, R _L , конденсатор большего размера уменьшит пульсации, но будет стоить дороже и будет создавать более высокие пиковые токи во вторичной обмотке трансформатора и в источнике питания, питающем его.В крайних случаях, когда много выпрямителей загружено в цепь распределения питания, для распределительной сети может оказаться затруднительным поддерживать правильно сформированную синусоидальную форму волны напряжения.

Для данной допустимой пульсации требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя за цикл входа. Ток нагрузки и частота питания обычно находятся вне контроля разработчика выпрямительной системы, но на количество пиков на входной цикл может повлиять выбор конструкции выпрямителя.Максимальное пульсирующее напряжение, присутствующее в схеме полноволнового выпрямителя, определяется не только величиной сглаживающего конденсатора, но и частотой и током нагрузки, и рассчитывается как:

Где:
В _{пульсации} — максимальное напряжение пульсаций на выходе постоянного тока
I _{Нагрузка} — постоянный ток нагрузки
F — частота пульсаций (обычно в 2 раза больше частоты переменного тока)
C — сглаживающий конденсатор

Однополупериодный выпрямитель, рисунок 6.5 (а) будет давать только один пик за цикл, и по этой и другим причинам используется только в очень небольших источниках питания и там, где важны стоимость и сложность. Двухполупериодный выпрямитель, рис. 6.5 (b), дает два пика за цикл, и это лучшее, что можно сделать с однофазным входом. Для трехфазных входов трехфазный мост будет давать шесть пиков за цикл, и даже большее количество пиков может быть достигнуто с помощью трансформаторных цепей, размещенных перед выпрямителем, для преобразования в фазу более высокого порядка.

Чтобы еще больше уменьшить эту пульсацию, можно использовать π-фильтр LC (пи-фильтр), такой как показано на рисунке 6.6. Это дополняет накопительный конденсатор C ₁ последовательной катушкой индуктивности L ₁ и вторым фильтрующим конденсатором C ₂ , так что на выводах конечного конденсатора фильтра может быть получен более стабильный выходной сигнал постоянного тока. Последовательный индуктор имеет высокий импеданс на частоте пульсаций тока.

Рисунок 6.6 LC π-фильтр (пи-фильтр)

Более обычная альтернатива фильтру, необходимая, если для нагрузки постоянного тока требуется очень плавное напряжение питания, — это установка конденсатора фильтра с регулятором напряжения, который мы обсудим в разделе 6.3. Конденсатор фильтра должен быть достаточно большим для предотвращения падения пульсаций ниже напряжения падения используемого регулятора. Регулятор служит как для устранения последней пульсации, так и для устранения отклонений в характеристиках питания и нагрузки. Можно было бы использовать конденсатор фильтра меньшего размера (который может быть большим для сильноточных источников питания), а затем применить некоторую фильтрацию, а также регулятор, но это не обычная стратегия проектирования. Крайний вариант этого подхода — полностью отказаться от конденсатора фильтра и направить выпрямленный сигнал прямо во входной фильтр катушки индуктивности.Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная, и, следовательно, выпрямителю больше не приходится иметь дело с током в виде большого импульса тока только на пиках входной синусоидальной волны, а вместо этого подача тока распространяется на большую часть цикл. Обратной стороной является то, что выходное напряжение намного ниже — приблизительно среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое.

6.2 Выпрямители с удвоением напряжения

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух версиях с диодом, направленным в противоположных направлениях: одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока.Комбинируя оба из них с отдельными выходными сглаживающими конденсаторами, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока, рисунок 6.7. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с разделенной шиной (положительной и отрицательной).

Рисунок 6.7 Простой удвоитель напряжения.

Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два последовательно соединенных конденсатора для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установить переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока.При разомкнутом переключателе эта схема будет действовать как обычный мостовой выпрямитель, а при замкнутом — как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (+/- около 15%) постоянного тока из любой сети в мире, которое затем можно подать в относительно простой импульсный источник питания.

Обзор раздела:

• Выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).
  

• Полупериодный выпрямитель — это схема, которая позволяет приложить к нагрузке только один полупериод формы волны переменного напряжения, в результате чего на ней будет одна неизменяющаяся полярность.Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, значительно «пульсирует».
  

• Двухполупериодный выпрямитель — это схема, которая преобразует оба полупериода формы волны переменного напряжения в непрерывную серию импульсов напряжения одинаковой полярности. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, не так сильно «пульсирует».
  

• Конденсаторы используются для сглаживания или фильтрации пульсаций, присутствующих в выпрямленном постоянном токе, а иногда используются более сложные фильтры с катушками индуктивности и конденсаторами.

6.3 Стабилитрон как регулятор напряжения

Стабилитроны широко используются в качестве источников опорного напряжения и шунтирующих стабилизаторов для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения, такому как диодный выпрямитель, который мы только что обсудили, так что он имеет обратное смещение, стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента относительно низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.

Рисунок 6.8 Опорное напряжение на стабилитроне

В схеме, показанной на рисунке 6.8, типичный шунтирующий регулятор, входное напряжение, В _IN , стабилизируется до стабильного выходного напряжения В _OUT . Напряжение пробоя обратного смещения диода D _Z стабильно в широком диапазоне токов и поддерживает относительно постоянное значение V _OUT , даже если входное напряжение может колебаться в довольно широком диапазоне.Из-за низкого импеданса диода при такой работе используется последовательный резистор R _S для ограничения тока в цепи.

В случае этой простой ссылки ток, протекающий в диоде, определяется с использованием закона Ома и известного падения напряжения на резисторе R _S .

Стоимость R _S должна удовлетворять двум условиям:

• R _S должен быть достаточно малым, чтобы ток через D _Z удерживал D _Z в обратном пробое.Значение этого тока указано в паспорте производителя для D _Z . Например, обычное устройство BZX79C5V6, 5,6 В 0,5? стабилитрон, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА . Если через D _Z существует недостаточный ток, то V _OUT будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя. При расчете R _S необходимо сделать поправку на любой ток через любую внешнюю нагрузку, которая может быть подключена к V _OUT , не показанным на этой диаграмме.
  

• R _S должен быть достаточно большим, чтобы ток через D _Z не превысил номинальный максимум и не разрушил устройство. Если ток через D _Z равен I _D , его напряжение пробоя В _B и максимальная рассеиваемая мощность P _MAX , тогда:

Нагрузка может быть помещена поперек диода в этой опорной цепи, и пока стабилитрон остается в обратном пробое, диод будет обеспечивать стабильный источник напряжения для нагрузки.Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более сложных схем регулятора напряжения, включающих каскады буферного усилителя для подачи больших токов на нагрузку.

Шунтирующие регуляторы просты, но требования, чтобы балластный резистор R _S был достаточно малым, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в худшем случае (низкое входное напряжение одновременно с большим током нагрузки), как правило, оставляет много тока, протекающего в диод, что делает стабилизатор довольно неэффективным с высокой рассеиваемой мощностью в режиме покоя, подходящим только для небольших нагрузок.

Эти устройства также встречаются, обычно последовательно с переходом база-эмиттер, в транзисторных каскадах, где можно использовать выборочный выбор устройства, сосредоточенного вокруг точки лавины или стабилитрона, для введения компенсационного температурного коэффициента балансировки PN перехода транзистора. Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи цепи регулируемого источника питания.

В качестве примечания: стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения скачков переходного напряжения.Еще одно примечательное применение стабилитрона — использование шума, вызванного его лавинным пробоем, в генераторе случайных чисел, который никогда не повторяется.

Пример конструкции регулятора

:

Требуется выходное напряжение 5 В и требуемый выходной ток 60 мА.

Сначала мы должны выбрать стабилитрон, В _Z = 4,7 В, что является ближайшим доступным значением.

Нам нужно определить номинальное входное напряжение, и оно должно быть на несколько вольт больше, чем В _Z .В этом примере мы будем использовать V _IN = 8V.

Как правило, мы выбираем номинальный ток через стабилитрон равным 10% от требуемого выходного тока нагрузки или 6 мА. Затем определяется ток I _max = 66 мА, который будет протекать через R _S (выходной ток плюс 10%).

Последовательный резистор R _S = (8 В — 4,7 В) / 66 мА = 50 Ом, мы бы выбрали R _S = 47 Ом, что является ближайшим стандартным значением.

Номинальная мощность резистора P _RS > (8В — 4.7 В) × 66 мА = 218 мВт, поэтому выбираем P _RS = 0,5 Вт

Максимальную мощность, которая может рассеиваться в стабилитроне при нулевом токе в выходной нагрузке, можно рассчитать как P _Z > 4,7 В × 66 мА = 310 мВт, поэтому мы бы выбрали P _Z = 400 мВт.

Лабораторная работа ADALM2000: стабилизатор стабилитрона

Упражнение 6.3.1

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, напряжение на нагрузочном резисторе R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN уменьшается, напряжение на нагрузочном резисторе R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, напряжение на последовательном резисторе R _S будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, ток через нагрузочный резистор R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN уменьшается, ток через стабилитрон D _Z будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Для показанной схемы, если напряжение источника питания В _IN увеличивается, ток через последовательный резистор R _L будет:

1. прибавка
   

2. уменьшение
   

3. без изменений

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Устранение неисправностей I ProMariner

Возникли проблемы с зарядным устройством?
Эти советы помогут вам вернуть вашу систему в нормальное русло.Если проблемы по-прежнему возникают, возможно, вам необходимо обновить систему. Позвоните или напишите нам по электронной почте, указав название и номер модели вашего устройства Professional Mariner, и мы сообщим вам, имеете ли вы право на участие в нашей программе обновления.

Все феррорезонансные (FR) блоки состоят из трансформатора со встроенным тепловым выключателем переменного тока и конденсатора переменного тока, диодных пар на радиаторах и автоматического выключателя.

Все блоки FR имеют класс защиты от воспламенения (электрический стандарт береговой охраны США 33 CFR 183.410).

Все блоки FR могут быть закорочены без вреда для здоровья и могут использоваться вместе с батареями для запуска двигателя.

Напряжение не поднимется, как на обычном трансформаторе, чтобы повредить генератор или электронику.

Все блоки FR являются источниками питания и будут обеспечивать постоянный ток без подключенной батареи до номинальной емкости.

Все блоки FR являются преобразователями и будут подавать ток в «дом», а также поддерживать заряд аккумуляторов.

Все блоки FR могут быть установлены в нескольких экземплярах для увеличения производительности.

Все блоки FR рассчитаны на самоограничение и не нуждаются в размыкании цепи на выходной проводке постоянного тока. (У нас есть письмо от береговой охраны, подтверждающее это) (Электрический стандарт береговой охраны США 33 CFR 183.460 [b]).

Все блоки FR полностью автоматические, в диапазоне от 85 до 140 В переменного тока или 240 +/- 15%, 50 Гц. Более высокие или более низкие входные напряжения допускаются уникальным феррорезонансным трансформатором, но конечные напряжения выше, и вода выкипит из батарей, что приведет к чрезмерному напряжению, если его не контролировать.

На устройствах с частотой 60 Гц +/- 5% Гц вызовет перегрев на полной мощности и будет хорошо работать на частоте 50 Гц, если автоматический выключатель с 3/4 номинала источника питания установлен на отрицательной линии, но конечные напряжения будут на 20% ниже. . Блок 240 В переменного тока +/- 15% может работать на частоте 60 Гц в качестве неавтоматического или быстрого зарядного устройства.

Напряжение завершения (или полной зарядки во время зарядки) устанавливается определенным соотношением между точным количеством обмоток трех катушек и точным количеством сердечника и не может быть отрегулировано.Сопротивление в цепи или линейный диод снизит напряжение. (Диод соответствует падению приблизительно 0,6 В) или от 10 до 12 А на выходном контакте без батареи в линии повысит напряжение на батарее на других контактах. Завод-изготовитель не рекомендует никаких методов увеличения напряжения.

Наше феррорезонансное зарядное устройство продолжает гудеть, несмотря на то, что напряжение достигло пика при завершении зарядки. Зарядное устройство заменяет обычно рассеиваемый ток (противодействие напряжению).

УСТРАНЕНИЕ НЕПОЛАДОК ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА:

Проверить напряжение аккумуляторов через 24 часа зарядки.Если какое-либо напряжение ниже 13,4 (без нагрузки), превышает 14,1 или после выключения зарядного устройства напряжение падает ниже 12 В в течение 15 минут: (1) Проверьте свой вольтметр. (2) Проверьте свои батареи.

Бортовые испытания:

1. Устройство гудит при включении переменного тока?
Да: — Переходите к шагу 2 Нет: — Если переменный ток к зарядному устройству, переходите к шагу 4

2. Повышается ли постоянное напряжение при включении зарядного устройства?
Да: — Зарядное устройство работает Нет: — Переходите к шагу 3

3.Отсоедините отрицательный провод от шпильки зарядного устройства. Подключить переменный ток к зарядному устройству. Измерьте напряжение постоянного тока между положительным и отрицательным контактами. (Поместите пальцы на шпильки + и -, чтобы уменьшить прямоугольную волну). Напряжение от 13,1 до 13,6 — прибор работает отлично. Менее 12 В — переходите к шагу 4.

4. Отправьте устройство на завод. (Один год, бесплатно, за исключением условий доставки и пожизненного ремонта.) См. Гарантию.

Любое закипание ниже 14,2 В постоянного тока при использовании зарядного устройства означает, что ваша батарея, вероятно, неисправна.

Технические характеристики испытательного стенда:

Напряжение 13,3 +/- 0,3 (зарядное устройство 12 В) без подключенного аккумулятора означает, что зарядное устройство работает правильно. (У качественного вольтметра могут быть ложные показания — приложите пальцы к положительному и отрицательному постоянному току.) Если напряжение батареи увеличивается при подаче переменного тока, это означает, что зарядное устройство работает правильно, и окончательный заряд будет номинальным 13,8 при 12 В постоянного тока (без нагрузки) . 27,6 в системе 24 В постоянного тока (без нагрузки) или 36,8 в системе 32 В постоянного тока (без нагрузки).

Трансформатор без нагрузки должен показывать напряжение переменного тока менее одного А.

Если трансформатор не гудит: (a) проверьте вход переменного тока. (B) проверьте внутреннюю проводку к трансформатору. (c) байпасный внутренний тепловой выключатель (петля в точке A). Отказ любого компонента приводит к падению выходного напряжения до 10 В или ниже. Считайте выход переменного тока — приблизительно 29,5 В переменного тока между двумя шпильками №10 на пластике или между наконечниками двух диодов на одном радиаторе. B1-B2. Примерно 14,8 переменного тока между одной шпилькой №10 на пластике и отрицательной клеммой зарядного устройства или между наконечником одного диода и автоматическим выключателем или предохранителем, от B до D.

Считайте конденсатор переменного тока — должно быть более 400 В переменного тока — (Не прикасайтесь — разрядите отверткой после отключения переменного тока). Проверьте конденсатор, отключив один провод. Аналог V.O.M. на R x 10 000 должен перейти к полной шкале, а затем вернуться к бесконечности. При выключенном переменном токе, отсоединенных батареях и включенном вольтомметре Rx1 — считывание показаний от наконечника диода к радиатору. В одном направлении должно отображаться значение 0, а в другом — прибл. 60% масштаба. 0 в обе стороны или полная шкала в обе стороны — замените диод.

На моделях 12 В с 2 дополнительными шпильками в верхнем левом углу пластиковой панели с пометкой «Вторичные испытательные клеммы 28 В перем. Тока» можно подключить световой индикатор «трансформатор исправен» или «зарядное устройство работает».Лампа мощностью не более 15 Вт (диапазон 28 В). Тестовые показания должны быть 27–30 В переменного тока между этими двумя клеммами и приблизительно 14,5 В переменного тока между любой клеммой и отрицательной клеммой постоянного тока.

ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО 12 В НА 24 В

(аннулируется гарантия — проконсультируйтесь с заводом-изготовителем — мы производим блоки 24 В)

При удалении двух диодов из одного радиатора и замене двумя обратными диодами этот радиатор имеет отрицательное напряжение 24 В. Это зарядное устройство может заряжать 12 В или 24 В, но отрицательные элементы 12 и 24 В, заземленные в одной и той же системе, будут иметь короткое замыкание внутри зарядного устройства.(Все устройства, кроме Pro Mite 15/20).

СВИНЦОВЫЕ КАЛЬЦИЕВЫЕ БАТАРЕИ

Более высокие конечные напряжения наблюдаются из-за значительного снижения внутреннего сопротивления свинцово-кальциевых сплавов (не требует обслуживания — без заливных крышек). Мы не рекомендуем использовать свинцово-кальциевые батареи для длительного или интенсивного использования и рекомендуем отключать зарядное устройство при отсутствии нагрузки или при отсутствии тока. Свинцово-кальциевый электрод прослужит от шести месяцев до года с небольшой потерей заряда. Несколько недель в 14.От 3 до 14,5 заметно не испортил тестовые батареи. Если оставить лампочку 12 В включенной, напряжение будет ниже 14 В, что не должно повредить батарею в течение продолжительных периодов зарядки.

ТРАНСФОРМАТОР ПОДАВЛЕНИЯ ШУМА

Если в системе установлен аккумулятор, в вашем радио не должно быть явных шумов. При использовании устройства в качестве источника питания без батареи для радио AM или SSB будет слышен небольшой шум, который можно устранить с помощью конденсатора 18000 MFD-25V.