Что такое преобразователь напряжения. Для чего нужен преобразователь частоты — задачи и преимущества частотника

Преобразователи напряжения широко используются как в быту, так и на производстве. Для производства и промышленности чаще всего изготавливаются по индивидуальному заказу, ведь там нужен мощный преобразователь и не всегда с напряжением стандартной величины. Стандартные величины выходных и входных параметров применяются зачастую в бытовых условиях. То есть преобразователь напряжения - это электронное устройство, которое предназначено для изменения вида электроэнергии, её величины или же частоты.

По своей функциональности они делятся на:

Понижающие;
Повышающие;
Бестрансформаторные;
Инверторные;
Регулируемые с настройкой частоты и величины выходного переменного напряжения;
Регулируемые с настройкой величины постоянного выходного напряжения.

Некоторые из них могут выполняться в специальном герметичном исполнении, такие типы устройств используются для влажных помещений, или же, вообще, для установки под водой.

Итак, что же из себя представляет каждый вид.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Такое электронное устройство, которое предназначено для получения переменного или постоянного высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Например, такие устройства применяются для получения высоковольтной энергии на кинескопы телевизоров, а также для лабораторных исследований и проверки электрооборудования напряжением, повышенным в несколько раз. Кабеля или же силовые цепи масляных выключателей, рассчитанных на напряжение 6 кВ, испытывают напряжением 30 кВ и выше, правда, такая величина напряжения не обладает высокой мощностью, и при пробое сразу же отключается. Эти преобразователи довольно компактны ведь их приходится переносить персоналу от одной подстанции к другой, чаще всего вручную. Нужно заметить, что все лабораторные блоки питания и преобразователи обладаю почти эталонным, точным напряжением.

Более простые высоковольтные преобразователи применяются для запуска люминесцентных ламп. Сильно повысить импульс до нужного можно за счёт стартера и дросселя, которые могут иметь электронную или же электромеханическую основу.

Промышленные установки, выполняющие преобразование более низкого напряжения в высокое, имеют множество защит и выполняются на повышающих трансформаторах (ПТН). Вот одна из таких схем дающая на выходе от 8 до 16 тысяч Вольт, при этом для его работы необходимо всего около 50 В.

Из-за того, что в обмотках трансформаторов вырабатывается и протекает довольно высокое напряжение, то и к изоляции этих обмоток, а также к её качеству предъявляются высокие требования. Для того чтобы устранить возможность появления коронирующих разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате аккуратно, без заусенцев и острых углов, после чего залиты с обеих сторон эпоксидной смолой или слоем парафина толщиной 2…3 мм, обеспечивающим изоляцию друг от друга. Иногда данные электронные системы и устройства называют повышающий преобразователь напряжения.

Следующая схема представляет собой линейный резонансный преобразователь напряжения, который работает в режиме повышения. Он основан на разделении функций повышения U и его чёткой стабилизации в абсолютно разных каскадах.

При этом некоторые инверторные блоки можно заставить работать с минимальными потерями на силовых ключах, а также на выпрямленном мосте, где появляется высоковольтное напряжение.

Преобразователь напряжения для дома

С преобразователями напряжения для дома обычный человек сталкивается очень часто, ведь во многих устройствах есть блок питания. Чаще всего это понижающие преобразователи, имеющие гальваническую развязку. Например, зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, персональные стационарные компьютеры, радиоприёмники, стереосистемы, различные медиапроигрыватели и этот перечень можно продолжать очень долго, так как их разнообразие и применения в быту в последнее время очень широко.

Бесперебойные блоки питания оснащены накопителями энергии в виде аккумуляторов. Такие устройства применяются также для поддержания работоспособности системы отопления, во время неожиданного отключения электроэнергии. Иногда преобразователи для дома могут быть выполнены по инверторной схеме, то есть подключив его к источнику постоянного тока (аккумулятору), работающего за счёт химической реакции можно получить на выходе обычное переменное напряжение, величина которого будет 220 Вольт. Особенностью данных схем является возможность получить на выходе чистый синусоидальный сигнал.

Одной из очень важных характеристик, применяемых в быту преобразователей, является стабильная величины сигнала на выходе устройства, независимо от того сколько вольт подаётся на его вход. Эта функциональная особенность блоков питания связана с тем, что для стабильной и продолжительной работы микросхем и других полупроводниковых устройств необходимо чётко нормированное напряжение, да ещё и без пульсаций.

Основными критериями выбора преобразователя для дома или квартиры являются:

Мощность;
Величина входного и выходного напряжения;
Возможность стабилизации и её пределы;
Величина тока на нагрузке;
Минимизация нагрева, то есть лучше чтобы преобразователь работал в режиме с запасом по мощности;
Вентиляция устройства, может быть естественная или принудительная;
Хорошая шумоизоляция;
Наличие защит от перегрузок и перегрева.

Выбор преобразователя напряжения дело не простое, ведь от правильно выбранного преобразователя зависит и работа питаемого устройства.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

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

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Преобразователи постоянного напряжения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное является самым часто используемым видом устройства этого типа. В быту это всевозможные блоки питания, а на производстве и в промышленности это питающие устройства:

Всех полупроводниковых схем;
Обмоток возбуждения синхронных двигателей и двигателей постоянного тока;
Катушек соленоидов масляных выключателей;
Оперативных цепей и цепей отключения там, где катушки требуют постоянного тока.

Тиристорный преобразователь напряжения - это наиболее часто применяемый для этих целей аппарат. Особенностью этих устройств является полное, а не частичное, преобразование переменного напряжения в постоянное без всякого рода пульсаций. Мощный преобразователь напряжения такого типа обязательно должен включать в себя радиаторы и вентиляторы для охлаждения, так как все электронные детали могут работать долго и безаварийно, только при рабочих температурах.

Регулируемый преобразователь напряжения

Эти устройства направлены на работу как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения. Чаще всего это всё-таки аппараты, выполняющие плавную регулировку величины выходного сигнала, который ниже входного. То есть на вход подаётся 220 Вольт, а на выходе получаем регулируемую постоянную величину, допустим, от 2 до 30 вольт. Такие приборы с очень тонкой регулировкой применяются для проверки стрелочных и цифровых приборов в лабораториях. Очень удобно когда они оснащены цифровым индикатором. Нужно признать, что каждый радиолюбитель брал за основу своих первых работ именно этот вид, так как питание для определённой аппаратуры может быть разное по величине, а этот источник питания получался весьма универсальным. Как сделать качественный и работающий долгое время преобразователь, вот основная проблема юных радиолюбителей.

Инверторный преобразователь напряжения

Данный тип преобразователей положен в основу инновационных компактных сварочных устройств. Получая для питания переменное напряжение 220 Вольт аппарат выпрямляет его, после чего снова делает его переменным, но уже с частотой несколько десятков тысяч Гц. Это даёт возможность значительно снизить габариты сварочного трансформатора, установленного на выходе.

Также инверторный способ применяется для питания отопительных котлов от аккумуляторных батарей в случае неожиданного отключения электроэнергии. За счёт этого система продолжает работать и получает 220 вольт переменного напряжения из 12 Вольт постоянного. Мощный повышающий аппарат такого назначения должен эксплуатироваться от батареи большой ёмкости, от этого зависит как долго он будет снабжать котёл электроэнергией. То есть емкость при этом играет ключевую роль.

Высокочастотный преобразователь напряжения

За счёт применения повышающих преобразователей появляется возможность уменьшения габаритов всех электронных и электромагнитных элементов, из которых состоят схемы, а это значит снижается и стоимость трансформаторов, катушек, конденсаторов и т. д. Правда, это может вызывать высокочастотные радиопомехи, которые влияют на работу других электронных систем, да и обычных радиоприёмников, поэтому нужно надёжно экранировать их корпуса. Расчет преобразователя и его помех должен производиться высококвалифицированным персоналом.

Что такое преобразователь сопротивления в напряжение?
Это особый вид, который используется только при производстве и изготовлении измерительных приборов, в частности, омметров. Ведь основа омметра, то есть прибора измеряющего сопротивление, выполнена в измерении падения U и преобразовании его в стрелочные или цифровые показатели. Обычно измерения производятся относительно постоянного тока. Измерительный преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации, а также передачи. Он входит в состав какого-либо измерительного прибора.

Преобразователь тока в напряжение

В большинстве случаев все электронные схемы нужны для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока. Такие сигналы возникают, например, на выходе фоторезистора или фотодиода. Тогда желательно при первой же возможности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному U и не зависеть от R нагрузки. В частности, при постоянном входном U ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Ремонт преобразователя напряжения

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно. Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

Актуальность мощных преобразователей напряжения

Преобразование электрической энергии это одна из основных задач, которая решается на всех этапах производства и передачи её потребителям. Оно позволяет уменьшить потери связанные с электроснабжением удалённых потребителей путём значительного увеличения напряжения. Преобразует его трансформатор или автотрансформатор, присоединённый к генератору, который вращает турбина или иной механический движитель. Трансформатор далее транслирует получаемую энергию в линию электропередачи.

На другом конце этой ЛЭП приёмный трансформатор выполняет новое преобразование напряжения с понижением его величины для распределения на уровне района. Здесь всё повторяется – опять есть районная ЛЭП, трансформаторы и так до тех пор, пока всё не закончится формированием фазных напряжений 220 В 50 Гц. При таком электроснабжении линия электропередачи является основным источником потерь, которые могут составлять почти пятую часть передаваемой мощности. В их основе лежит переменное напряжение.

По этой причине индуктивность и ёмкость ЛЭП определяет величину потерь электроэнергии. Поэтому чтобы значительно уменьшить потери при электроснабжении надо перевести ЛЭП большой протяжённости на постоянное напряжение. Для этого на входе ЛЭП потребуется выпрямитель, а на её выходе – инвертор, то есть устройство, которое из постоянного напряжения сделает переменное напряжение. Такую эффективную систему электроснабжения можно построить только при использовании в инверторе достаточно мощных быстродействующих переключателей (ключей) без механических контактов.

Первыми подобными устройствами были ртутные вентили. Они стали доступны для широкого использования только с середины 20 века. Развитие силовой электроники, которое привело к возможности коммерческого использования быстродействующих запираемых тиристоров и высоковольтных транзисторов примерно с 70-х годов 20 века привело к вытеснению ртутных вентилей из технических решений для мощных инверторов в энергетических системах. Быстродействие для коммутаторов является важнейшим свойством.

Полупроводниковые ключи

Оно позволяет уменьшить потери электроэнергии, которые связаны с изменением сопротивления коммутатора. Сопротивление близко к нулю во включённом состоянии ключа и стремиться к бесконечности (в идеальном случае) при его полном отключении. В этих граничных состояниях электрическая мощность, которая в виде тепла выделяется в ключе, невелика и не опасна для него. Но замедление переходного процесса между ними для ключа несёт в себе опасность его разрушения от перегрева. И эта опасность растёт с увеличением напряжения.

Низковольтные инверторы на полупроводниковых приборах используются уже давно. Они появились вместе с транзисторами, которые являются наилучшими коммутаторами для них. Тиристор, даже запираемый, хуже транзистора, потому что он по сути своей состоит из двух биполярных транзисторов. Он существенно менее устойчив к помехам и его сопротивление во включённом состоянии заметно больше, по сравнению с транзистором. Быстродействие тиристора также хуже, чем у транзистора, особенно в сравнении с полевым транзистором.

Важность быстродействия ключа объясняется тем, что чем быстрее он срабатывает, тем больше частота переменного напряжения может быть получена. А поскольку для преобразования напряжения всё равно потребуется трансформатор как самое эффективное устройство для этого, его масса и габариты будут тем меньше, чем больше частота напряжения на первичной обмотке. Число витков первичной обмотки, которое в основном определяется насыщением сердечника трансформатора, тоже будет меньше, так же как и число витков остальных обмоток зависящих от первичной обмотки.

Трансформатор инвертора, работающий на частоте в несколько сотен Герц, уже получается значительно дешевле трансформатора 50 Гц такой же мощности. Его стоимость уменьшается с увеличением рабочей частоты. Причём удешевление затрагивает не только обмотки, но и сердечник трансформатора. Высокая частота электро магнитного поля вынуждает использовать специальные материалы — ферриты для изготовления магнитопровода инверторного трансформатора. Он формируется методом прессования и спекания, что значительно дешевле изготовления магнитопровода из пластин специальной трансформаторной стали.

Где применяются преобразователи напряжения?

Инвертор используется не только для питания первичной обмотки трансформатора с целью изменения величины напряжения. Ключи управляемы и могут формировать напряжения прямоугольной формы различных частот. Поэтому инвертор, который по специальному алгоритму формирует напряжения одинаковой амплитуды, но разной частоты на входе специального фильтра позволяет получить на его выходе синусоидальное напряжение необходимой частоты. Этот метод носит название «широтно-импульсная модуляция», или сокращённо «ШИМ».

Такие устройства стали очень востребованными в последнее время. Они находят применение в электростанциях, использующих солнечные батареи и также в мини – электростанциях с двигателями внутреннего сгорания. Спрос на устройства малой энергетики непрерывно растёт из-за роста цен на энергоносители. Без инверторов невозможно создание электротранспорта и гибридных автомобильных систем. Они обеспечивают наиболее эффективное управление электродвигателями, что особенно заметно в таких транспортных средствах как метро и пригородные электропоезда, городской электротранспорт.

Частые остановки с последующим разгоном наиболее энергозатратны, а плавность хода подвижного состава при этом необходимые условия его комфортности и безопасности пассажиров. Инверторное управление в электроприводе обеспечивает экономичность и комфортность транспортного средства. Иточники бесперебойного электропитания в основном построены с использованием аккумулятора и преобразователя напряжения на полупроводниковых ключах.

Они с минимальной задержкой способны войти в рабочий режим и обеспечить работоспособность подключенного к ним оборудования без каких-либо сбоев в его работе. В них так же применяется метод ШИМ для формирования синусоидального выходного напряжения. На новый качественный уровень выходит сварка с применением инверторов. Сварочный аппарат, которые ранее весил десятки килограммов и был весьма внушительных размеров, теперь помещается в портфель. А питание электрической дуги при инверторной сварке может быть обеспечено при постоянном напряжении. Это значительно улучшает качество сварного шва.

Однако есть и определённые ограничения для применения инверторов. Главная причина в том, что коммутации сопровождаются электромагнитным излучением с широким спектром частот, в том числе, используемом для радиосвязи. По этой причине даже при соответствующем конструктивном исполнении в виде качественного экранирования радиоприемники будут «слышать» мощный инвертор в широком диапазоне радиочастот. Но это, пожалуй, их единственный недостаток, который не является актуальным на фоне их энергетической эффективности и пользы связанной с ней.

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи - SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция - ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.

Преобразователь напряжения – устройство, изменяющее вольтаж цепи. В литературе зарубежной подразумевается: речь касается цепей переменного напряжения, в противном случае устройство называют преобразователем постоянного тока. Последние рассматриваются полноценными членами семейства.

Назначение преобразователей напряжения

Необходимость использования устройств подобного рода возникает, когда требуется электрический прибор внедрить в регионе, где стандарты промышленных сетей снабжения энергией отличаются от заложенных разработчиками изделия. Частоты и амплитуда напряжения США противопоставлены Европе, России. Видим ряд причин. Тесла заметил: при увеличении частоты возможно драматически снизить вес медной обмотки трансформатора, при достижении параметром значения 700 Гц электричество становится в большой мере безопасным для человеческого организма. Параллельно растут потери сердечников, начинается излучение электромагнитной волны в пространство.

Преобразователь вольтажа

Оценив весомость аргументов, США под влиянием Николы Тесла узаконили частоту 60 Гц. В России (Европе) приняли к сведению доводы прославленного инженера Доливо-Добровольского (обосновал выгодность использования трехфазных сетей). На протяжении Евразии стали эталоном де-факто 50 Гц. Амплитуды напряжения выбирали удобную. 220 вольт опасны для человека, потребитель одновременно затрачивает меньший ток. Сечение медных проводников допустимо ощутимо снизить. Американские 110 вольт переменного тока нельзя считать безопасными полностью. Люди осведомлены, наученные боевиками, не раз главный герой уничтожал врага электрическим разрядом местной энергосети.

Влияние параметров на технику описываются просто:

Частота оборотов двигателя определена амплитудой приложенного напряжения. Скорость вращения вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором напрямую зависит от частоты питающей сети.
Нагревательные приборы рассчитаны на рабочий ток, пропорциональный величине напряжения. Сопротивление преимущественно активное. Мощность изменяется вчетверо (ток берется в квадрате) при аналогичном варьировании между сетями 110/220 вольт. Потребитель ожидает от изделия номинальных параметров, прибор может быть не рассчитан на нестандартную эксплуатацию.
Бытовая техника в составе часто использует напряжения отличные от сетевых со строго определенной амплитудой. Обеспечиваются условия блоком питания. Для нормальной работы требуется преобразователь напряжения.

Зачем мировой практике разные напряжения

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

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

Местоположение преобразователей напряжения в общей классификации

Постоянного тока:

Преобразователи уровня напряжения (обсуждался выше).
Регуляторы напряжения.
Линейный стабилизатор напряжения.

Переменный ток в постоянный:

Выпрямители.
Блоки питания.
Импульсные стабилизаторы напряжения.

Постоянный ток в переменный:

Инверторы.

Переменного напряжения:

Трансформаторы различного рода.
Преобразователи напряжения.
Регуляторы напряжения.
Преобразователи формы и частоты напряжения.
Трансформаторы переменной частоты.

Преобразователи напряжения образуют еще два класса. Блоки питания в первую очередь. Каждый содержит в своём составе преобразователь напряжения. Трансформатор. Преобразователи уровня подходят под отечественное определение предмета беседы, выделяются в отдельный класс. Вопрос ставится книгой М.А. Шустова по рассматриваемой теме.

Классификация преобразователей напряжения

Проведём первичную классификацию преобразователей напряжения:

Используя обычные трансформаторы или автотрансформаторы для преобразования амплитуды напряжения, помним о частоте. Многие двигатели, сконструированные для работы на 60 Гц, будут перегреваться сетями 50 Гц, пусть амплитуда напряжения соответствует заданной. Что касается встроенных опций блоков питания, далеко не всегда присутствует возможность переключить настройки. Изделие способно маркироваться наклейкой (помимо заводского шильдика), доступно поясняющей условия работы прибора, согласно предназначению. Что касается расхождений между Европой и Россией (230 – 220 = 10 вольт), указанное несоответствие не сильно влияет на работу (есть негативные моменты). Отмечали в предыдущих топиках влияние параметра на срок службы лампочек накала, электронных ламп.

В соответствии с конструкцией в электронике преобразователи напряжения делят так:

Бестрансформаторные конденсаторные.
С коммутируемыми конденсаторами.
Мультиплексорные.
Импульсные преобразователи.
Импульсные источники питания.
Трансформаторные с импульсным возбуждением.
Автогенераторные.
На пьезоэлектрических трансформаторах.

Конструкция преобразователей напряжения

С ростом частоты увеличиваются потери, вызванные вихревыми токами, в сердечниках трансформаторов. Явление пытаются пресечь путем шихтования. Сердечник разделяется на пластины, с плоскостью параллельной линиям магнитного поля. Используется особая электротехническая сталь с высоким удельным сопротивлением.

По мере роста частоты магнитный поток вытесняется толщей сердечника наружу. Ферромагнитные материалы применяют для увеличения индуктивности. На высоких частотах становится нецелесообразным по указанной выше причине. Магнитная проницаемость перестает расти, нет смысла изготавливать подобный сердечник. На ВЧ широко используются магнитодиэлектрики прессованным порошком. Устраняя потери, созданные вихревыми токами. Сила магнитного потока сильно снижается. Периодичность законов изменения тока, напряжения диктует следующее правило…

Энергия, запасенная преобразователем за период, пропорциональна квадрату емкости или индуктивности системы.

В устройствах используют накопители индуктивного или емкостного типа. Это объясняет применение ферромагнитных материалов блоками питания, объясняет, почему Тесла в опытах шел иным путем. Ученый для создания токов высокой частоты использовал колебательные контуры. Аналогичным путем сегодня движется техника преобразователей напряжения. Для постоянного тока конструкция выглядит такова:

Входное напряжение становится одновременно питающим.
Сердцем преобразователя выступает генератор переменного напряжения. Известный мультивибратор (триггер на двух транзисторах), изображение доступно повсеместно. Иногда выгодно применять готовые микросхемы промышленных серий, инверторы.
Результирующее напряжение переменное, часто прямоугольной формы. При необходимости усиливается, умножается или понижается (при помощи коммутируемых конденсаторов), выпрямляется, получается нужная полярность (преобразователь полярности напряжения). Заметим: эти каскады иногда выполнены на микросхемах. Мультиплексоры широко применяются для коммутации конденсаторов, запасающих мощность.

Преобразователь напряжения не строится напрямую без трансформатора. Однако если отклоняться от строго определения, удастся решить разнообразные задачи. Любой мультивибратор содержит цепочку RC, что и применил Тесла. Для получения напряжения нужно полярности применяется должным образом выполненное включение диодов и фильтрующих конденсаторов. Выпрямитель делается мостовым (см. ).

Подобные схемы на практике встречаются в электронике по простой причине: сложно получить высокую мощность. Не создано полупроводниковых ключей, обходящих ограничение, емкости конденсаторов потребовались бы просто гигантские. Поэтому производители постоянно борются за экономию электроэнергии.

Системный блок ПК применяет импульсные трансформаторы, генерации стабильной чистоты используются кварцевые резонаторы. Укажем отличие. Работа с высокочастотным напряжением, позволяет значительно уменьшить количество запасенной за период колебания энергии. Габариты трансформаторов можно сильно уменьшить, вредные ферромагнитные сердечники выбросить вовсе, понизив вес. Имеются конструктивные особенности и другого рода. Как пишет выдающийся схемотехник М.А. Шустов:

Индуктивные преобразователи меньших габаритов при прочих равных. Поэтому применяются для повышенных мощностей. Что видим на примере трансформаторов.
Что касается емкостных преобразователей, выгодно использовать для малых мощностей. Вспомним о мультивибраторах с RC цепочкой.

Слышали про «трансформаторы» постоянного напряжения. Допустимо отнести к конструктивным особенностям. В составе генератора используется звено обратной связи – кристалл кварца. Запасающий конденсатор управляет режимом работы транзистора, переменное напряжение в виде акустической волны проходит пьезоэлемент. В силу очевидных обстоятельств рабочие частоты лежат в области единиц МГц, мощность мала. Понятно, что напрямую постоянное напряжение система передавать неспособна, термин трансформатор применяется иносказательно.

Воздействий; преобразователь Элемент, осуществляющий преобразования входных воздействий или сигналов одного вида в выходные воздействия или сигналы другого вида Примечание. Аналогично определяется термин преобразователь сигналов электромашинный… … Политехнический терминологический толковый словарь

Переприёмник, редуктор, транслятор, трансформатор, конвертер; солион, агрегат, реформист, мост, конвертор, трансвертер, выпрямитель, реформатор, изменитель, перестройщик, датчик, сканистор, преобразитель, реорганизатор Словарь русских синонимов.… … Словарь синонимов

Электромеханич. или электроакустический преобразователь, действие к рого основано на эффекте магнитострикции. В M. п. используется, как правило, линейная магнитострикция ферро или ферримагнетиков в области техн. намагничивания (см. Ферромагнетизм … Физическая энциклопедия

преобразователь - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, реорганизатор, реформатор … Словарь-тезаурус синонимов русской речи

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - устройство, преобразующее величины одного вида (энергию, сигналы) в др. виды и формы, удобные для дальнейшего использования. Разнообразные по принципу действия и конструкции П. широко применяют в автоматике и телемеханике, информатике и… … Большая политехническая энциклопедия

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, я, муж. 1. Тот, кто преобразует, преобразовал что н. 2. Устройство для преобразования электрической энергии. Электрический п. П. тока. | жен. преобразовательница, ы (к 1 знач.). Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова … Толковый словарь Ожегова

- (Converter) вращающаяся машина для преобразования: постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, переменного тока в постоянный и наоборот; переменного тока в переменный же, но с другим числом периодов. По конструкции П.… … Морской словарь

преобразователь - Устройство для преобразования формы сигналов из одного вида в другой (например, из последовательной в параллельную или из аналоговой в дискретную), а также перенос сигналов с одной частоты на другую. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии … Справочник технического переводчика

преобразователь - 3.1 преобразователь (transducer): Устройство для преобразования измеряемого механического движения, например, ускорения в заданном направлении, в величину, удобную для измерения или записи. Примечание Преобразователь может включать в себя… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Преобразователь электротехническое устройство. В зависимости от области применения может означать: в электронике: Аналого цифровой преобразователь Цифро аналоговый преобразователь Электронно оптический преобразователь Обратноходовый… … Википедия

Книги

Преобразователь , Ольга Голосова. От издателя:Один на улице - без денег, без дома, без друзей. А если ты еще вчера был олигархом? Если тебе и только тебе служил мир? Обидно? А что вы сделаете за обещаниевсе это вернуть?…
Преобразователь , Ольга Голосова. Один на улице - без денег, без дома, без друзей. А если ты еще вчера был олигархом? Если тебе и только тебе служил мир? Обидно? А что вы сделаете за обещание все это вернуть? Правильно - все…