Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа
Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжения могут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.
Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.
Устройство
Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:
- Инвертирующие.
- Повышающие.
- Понижающие.
Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:
- Ключевой коммутирующий элемент.
- Источник питания.
- Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
- Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
- Блокировочный диод.
Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.
Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.
Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.
Устройство трансформатора включает следующие элементы:
- Магнитопровод.
- Первичная и вторичная обмотка.
- Каркас для обмоток.
- Изоляция.
- Система охлаждения.
- Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).
Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.
Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.
Принцип действия
Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.
Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.
- Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
- Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
- В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
- Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
- Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
- В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.
В иды
Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.
Преобразователи напряжения постоянного тока:
- Регуляторы напряжения.
- Преобразователи уровня напряжения.
- Линейный стабилизатор напряжения.
Преобразователи переменного тока в постоянный:
- Импульсные стабилизаторы напряжения.
- Блоки питания.
- Выпрямители.
Преобразователи постоянного тока в переменный:
Преобразователи переменного напряжения:
- Трансформаторы переменной частоты.
- Преобразователи частоты и формы напряжения.
- Регуляторы напряжения.
- Преобразователи напряжения.
- Трансформаторы разного рода.
Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:
- На пьезоэлектрических трансформаторах.
- Автогенераторные.
- Трансформаторные с импульсным возбуждением.
- Импульсные источники питания.
- Импульсные преобразователи.
- Мультиплексорные.
- С коммутируемыми конденсаторами.
- Бестрансформаторные конденсаторные.
Особенности
- При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
- Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
- По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.
Применение
- Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6—24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
- Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
- Для питания различных цепей;
— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.
Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.
- Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
- Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.
Источник
Схемы простых преобразователей напряжения
Схема удвоения напряжения
Напряжение превышает предложение может быть создано «заряд—насос» схемы создан с 555, диоды и конденсаторы, как показано на следующей схеме. Выход будет поставлять около 50мА.
Для увеличения выходного тока в схеме ниже добавлены транзисторы BC107 и BC117 на выходе микросхемы.
Умножители напряжения
Схема утроения напряжения
Напряжение почти в 3 раза превышает напряжения питания (с 12В до 31В ) Выходной ток будет составлять около 50 мА.
На выходе (выв.3) генерируется сигнал с амплитудой от 0,5В до 11в.
Описание работы схемы умножения
Когда на выходе низкий уровень (0,5В), конденсатор «а» заряжает через диод «а» около 11в.
Когда на выходе высокий уровень (11В), конденсатор «а» заряжен (около 11в) через него, добавляется плюс с выхода. 22в подаётся на положительный вывод конденсатора «а» проходит через диод «б» и заряжает конденсатор «б» с 21в — 12В = 9В. Это создает напряжение 21 в на аноде диода «с».
Когда с выв. 3 идет низкий уровень, конденсаторы «b» и «с» будут заряжаться через диоды «b» и «с». Конденсатор «а» заряжается через диод «а» и конденсатор «с» заряжается через диод «с».
Когда с выв. 3 идет высокий уровень, то к 9В через конденсатор «с» будет добавлено 22в для зарядки конденсатора «d» до 31в.
Схема учетверения напряжения
Схема работает аналогично предыдущей, только добавлено ещё одно плечо (два диода и два конденсатора на выходе схемы).
Таким образом напряжение на выходе составляет 41 В, с током 50мА.
Источник