Что такое преобразователи напряжения

Содержание

Области применения

Сфера применения многозонных преобразователей напряжения очень обширна. Они традиционно используются в следующих целях:

в линейных устройствах для распределения и передачи электроэнергии;
для проведения таких ответственных технологических операций, как сварка, термическая обработка и им подобных;
при необходимости электроснабжения нагрузочных цепей в самых различных областях техники.

В первом случае вырабатываемая на электростанциях ЭДС повышается с помощью этих устройств с 6-24 кВ до 110-220 кВ – в таком виде ее легче «перегонять» по проводам на дальние расстояния. На районных подстанциях уже другие трансформаторные устройства обеспечивают ее снижение сначала до 10 (6,3) кВ, а затем – до привычных 380 Вольт.

В промышленности

Самая обширная область применения – обеспечение качественным питанием следующих промышленных образцов потребителей:

аппаратуры, работающей в линиях автоматического управления и контроля;
устройств телекоммуникации и связи;
широкого спектра электроизмерительных приборов;
специального радио- и телевизионного оборудования и тому подобное.

Особую функцию выполняют так называемые «разделительные» трансформаторы, используемые для развязки нагрузочных линий от высоковольтного входа.

Поскольку такие преобразователи «играют вспомогательную роль», чаще всего они имеют небольшую мощность и сравнительно малые размеры.

В быту, медицине и оборонной промышленности

Преобразователь напряжения 24/12V DC-20

Достаточно широко применяются преобразователи напряжения и в быту. На их основе построено большинство БП, используемых для зарядки бытовой техники, а также более сложных устройств типа:

стабилизаторы напряжения;
инверторы;
резервные блоки питания и т. п.

Области применения

Разделитель 100 амперный

в линейных устройствах для распределения и передачи электроэнергии;
для проведения таких ответственных технологических операций, как сварка, термическая обработка и им подобных;
при необходимости электроснабжения нагрузочных цепей в самых различных областях техники.

В промышленности

аппаратуры, работающей в линиях автоматического управления и контроля;
устройств телекоммуникации и связи;
широкого спектра электроизмерительных приборов;
специального радио- и телевизионного оборудования и тому подобное.

В быту, медицине и оборонной промышленности

Преобразователь напряжения 24/12V DC-20

стабилизаторы напряжения;
инверторы;
резервные блоки питания и т. п.

Преобразователь тока в напряжение

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

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

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

U_вых = R × i_вх

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

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

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

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ДОМА

В настоящее время широкое применение преобразователи напряжения нашли в быту. Их стали использовать в домашних условиях в качестве резервных или аварийных источников питания, задача которых обеспечить работу бытовой техники в случае несанкционированного отключения сети централизованного электропитания.

Как правило, преобразователь напряжения для дома представляет собой комбинацию инвертора с одной или несколькими аккумуляторными батареями. В коттеджах и загородных домах (дачах) их дополняют также устройствами, способными заряжать аккумуляторы.

В отдельных случаях для этого могут использоваться солнечные батареи или ветрогенераторы.

К инверторам, предназначенным для использования в домашних условиях, чаще всего подключают маломощную бытовую технику:

телевизоры;
компьютеры и пр.

При этом необходимо помнить об электроприборах, например, холодильниках, электронасосах и др., которым для работы необходима подача электропитания с «чистой синусоидой», что требует приобретения значительно более дорогих устройств.

В местах, где отсутствует централизованная электросеть можно, рассчитав необходимую электрическую мощность, организовать систему электропитания целого дома. Однако это потребует приобретения достаточно дорогого оборудования.

Например, стоимость инвертора мощностью 10…60 кВт составляет не менее $20000. Использование подобного рода устройств целесообразно в случае организации систем электропитания на основе альтернативных источников энергии.

Если сравнивать классический блок бесперебойного питания (UPS), работающий в режиме online, с преобразованием напряжения, то сочетание компонентов «аккумуляторная батарея+инвертор» выглядит предпочтительней по ряду причин, среди которых:

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

На отечественном рынке электрооборудования импульсные преобразователи представлены в достаточно широком ассортименте. Особой популярностью пользуется, например, продукция тайваньской компании Mean Well и голландской фирмы Victron Energy.

Продукция этих производителей отличается высоким качеством и обладает большим количеством различных функций. Так преобразователи типа DC/AC обеспечивают защиту рот глубокого разряда аккумуляторных батарей, контролируя величину минимального входного напряжения. Контролируют они и параметры выходного сигнала.

Все модели этих компаний имеют большой запас мощности, что позволяет им выдерживать большие перегрузки, возникающие при запуске электроприборов. Ряд устройств обеспечивает получение на выходе синусоиды высокого качества, что позволяет подключать к ним самое требовательное электрооборудование.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Схема как сделать из постоянного тока переменный — Портал о стройке

Люди всего земного шара в настоящее время имеют возможность получить знания в различных технических направлениях. Нам всем остается лишь воспользоваться знаниями, современной имеющейся базой научных открытий как отечественных так и зарубежных ученых.

Чтобы получить необходимые знания для разрешения каких-либо технических вопросов, мы обращаемся к тому или иному источнику информации. Человек, допустим открывает учебник по электротехнике и получает различную техническую информацию, к примеру:

переменное напряжение является синусоидальным напряжением;
коллекторный двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока;
каждый диод обладает своим потенциальным барьером

и так далее.

И зачастую получается, что человеку трудно понять прочитанное. Он может запомнить информацию, но не осознавать того, что он прочитал. То-есть, кроме того что мы прочитали, нам необходимо понять явления физики.

Для чего нужен постоянный ток

Что из себя представляет постоянный ток? В чем различие между переменным и постоянным током? Чтобы нам ответить на эти и другие вопросы, — нам нужно вспомнить физику и электротехнику.

Постоянный ток — название происходит от самого слова постоянный, то-есть ток, в котором отсутствуют пульсации, — в отличие от переменного тока. К таким источникам энергии \постоянного тока\ относятся химические источники тока:

первичные источники;
электрохимические аккумуляторы.

Первичные источники тока — это различные батарейки \разового пользования\, не подлежащие своему восстановлению в первоначальное состояние — после их разрядки.

К электрохимическим аккумуляторам относятся различные типы аккумуляторов, способность которых проявляется в возвращении их в свое первоначальное химическое состояние в процессе воздействия электрического тока, — зарядки аккумулятора. Другими словами, зарядили:

аккумулятор авто;
аккумулятор шуруповерта;
аккумуляторы соединенные в батареи — для телефонной связи,

— в результате, получаем неоднократную возможность в их дальнейшей эксплуатации, эксплуатации источников постоянного тока.

Какие преимущества мы находим в применении постоянного тока? Данную электрическую энергию можно аккумулировать, допустим, для той же самой ветряной электростанции, — при отсутствии ветра.

Следовательно, вывод такой, что в приведенных источниках электрической энергии отсутствует частота, — в виду отсутствия пульсаций тока.

Где еще можно наблюдать применение постоянного тока? Постоянный ток необходим также для питания электродвигателей — работающих от постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока применяются как тяговые двигатели, в которых допускается плавное вращение ротора, к примеру, в электровозе.

Вот мы и ответили на такой простой вопрос «для чего нужен постоянный ток».

Однополупериодный выпрямитель тока

Однополупериодный выпрямитель тока — это наиболее упрощенная схема выпрямления тока.

рис.1

рис.2

Рассмотрим две схемы, разница которых состоит в том, что в первой схеме однополупериодного выпрямителя тока, — параллельно нагрузке подключен конденсатор. Первая схема \рис.1\ состоит из:

и подключенной нагрузки ко вторичной обмотке трансформатора.

Во второй схеме однополупериодного выпрямителя тока, цепь вторичной обмотки трансформатора состоит из диода и подключенной нагрузки \рис.2\. В электротехнике, диоды состоящие в схеме, — еще называют вентилями. Если в своих описаниях схем Вы даете пояснение и заменяете слово «диод» словом «вентиль», — разницы не будет никакой.

На представленных кривых изменения напряжения \рис.1\ видно, что:

переменное напряжение в схеме наблюдается перед вентилем \диодом\;
после вентиля напряжение пульсирующее — положительной полярности

и после конденсатора, параллельно включенного перед нагрузкой, — напряжение выглядит как бы сглаживающим. То-есть конденсатор состоящий в схеме после диода, — сглаживает пульсацию. Поэтому, конденсаторы еще называют фильтрами.

Но для питания отдельных схем-блоков, к примеру в радиотехнике такие схемы выпрямления тока не подходят, так как пульсации будут создавать фон переменного тока, а это в свою очередь будет приводить к искажению звукового сигнала.

Для питания схем:

телевизоров;
транзисторных радиоприемников;
электронных приборов,

— схемы выпрямления, в целом состоят из так называемых реактивных элементов — дросселей и конденсаторов.

Полезные свойства аппаратов

Часто инверторы из 12 В в 220 В обеспечивают предохранение или ослабление функционирования информационных систем от качества сетей переменного тока. Если внезапно произойдет отключение электроэнергии, то с помощью запасной батареи и выпрямителя восстановится резервное питание и можно прекратить работу компьютера без потери необходимых данных.

Отличительной чертой в этом случае считается наличие высокой частоты напряжения — до 100 кГц. Для эффективной работы дополнительно используются полупроводниковые ключи, магнитные материалы и специальные контроллеры. Чтобы быть удобным для применения, инвертор должен обладать высоким коэффициентом полезного действия, надежностью и иметь компактные габаритные характеристики.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

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

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

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

Классификация

Основными критериями классификации этих приборов являются мощность, форма тока и входное напряжение. Выбор конкретной модели зависит от целей, с которыми приобретается устройство.

Для подключения к автомобильному прикуривателю используются простейшие компактные преобразователи небольшой мощности. От них могут получать питание гаджеты с низким потреблением электроэнергии (телефоны, ноутбуки, вентиляторы, фонарики).

Мощность инвертора, включаемого в прикуриватель, не должна превышать 150 Вт. В противном случае можно вывести из строя всю электропроводку автомобиля.

Преобразователи для питания приборов мощностью от 150 Вт присоединяют напрямую к клеммам аккумулятора. Чтобы снизить потери КПД, не рекомендуется использовать «крокодильчики», которые входят в комплектацию некоторых моделей. Для стабильного и надёжного подключения больше подойдут медные клеммы с винтовым соединением.

Номинальная и пиковая мощность

При выборе преобразователя следует суммировать мощность всех потребителей, которые будут к нему подключены. К полученному результату прибавляют ещё 20%, так как прибор не сможет долго работать на пределе возможностей. Кроме того, возможны потери вследствие плохого контакта в соединениях или низкого качества кабеля. Также нужно учитывать ёмкость аккумулятора.

Рассчитывать мощность инвертора необходимо по двум характеристикам: номинальной и пиковой. Первая из них определяет нагрузку, под которой прибор может работать длительное время. У бытовых моделей она обычно составляет от 60 до 1000 Вт. Однако существуют модификации, у которых этот показатель превышает 1 кВт. С их помощью можно обустроить мобильную мини-электростанцию. Их целесообразно покупать, например, для подключения электроинструментов.

Пиковая мощность характеризует максимальную нагрузку, которую инвертор может выдержать в течение короткого промежутка времени. Она варьируется в пределах 150 – 10000 Вт. Ток, потребляемый некоторыми электроприборами при начале работы, в несколько раз превышает номинальное значение

Выбирая преобразователь, нужно обязательно обратить внимание на этот момент, иначе подключенное к нему оборудование может не запуститься

Мнение эксперта
Кузнецов Василий Степанович

Если устройство используется при работающем двигателе автомобиля, ток его нагрузки не должен быть выше тока, вырабатываемого генератором.

Для бытовых нужд (например, путешествий на автомобиле) обычно бывает достаточно инвертора мощностью до 600 Вт. Этого хватит, чтобы включить холодильник, зарядить телефон, ноутбук или фонарик. Ток нагрузки такого прибора составляет примерно 50 А, что значительно меньше показателей современных автомобильных генераторов.

Форма тока

Важным критерием выбора преобразователя является форма тока, получаемая на выходе. От этого параметра зависит, какие приборы к нему можно подключить.

Существует два вида формы:

Чистая (непрерывная) синусоида. Диаграмма тока представляет собой ровную синусоиду. Такие приборы обеспечивают безопасное подключение любого оборудования. В схему этих устройств входят дорогостоящие комплектующие, поэтому цена на них достаточно высока.
Модифицированная (изменённая) синусоида. Диаграмма тока – ступенчатая. Такие инверторы нельзя использовать для подключения электроинструмента с асинхронными двигателями, компрессоров и приборов, восприимчивых к помехам. Оборудование либо вообще не запустится, либо будет работать в экстремальном режиме, что приводит к снижению КПД и сокращению срока службы. Преобразователи с модифицированной синусоидой подходят для питания ламп, обогревателей, коллекторных двигателей, телефонов, ноутбуков, телевизоров. Повысить качество работы можно за счёт дополнительной установки устройства плавного пуска.

Стоимость инверторов с чистым синусом достаточно высока. Приобретать их целесообразно только при необходимости подключить оборудование, несовместимое с модифицированной синусоидой.

Применение многоуровневых инверторов [ править | править код ]

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

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

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

k = 2 m + 1 <displaystyle k=2m+1>

и количество шагов p в фазовом напряжении трехфазной нагрузки в соединении

p = 2 k − 1 <displaystyle p=2k-1>

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

Основные положительные стороны многоуровневых инверторов заключаются в следующем:

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

2) Они тянут входной ток с очень низким искажением.

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

4) Они могут работать с более низкой частотой переключения.

Топология каскадных многоуровневых инверторов

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

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

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

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

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

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

Особенности применения

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

Повышающий преобразователь.

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

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

Таблица – Популярные модели преобразователей напряжения.

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

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

Будет интересно Зачем нужен преобразователь частоты

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

Преобразователь 24В в 12В