Меню

Время импульсный преобразователь напряжения

Как работает преобразователь напряжения

Время на чтение:

Электронная аппаратура, ее составные части требуют для питания элементов напряжение различной величины. До недавнего времени, а в некоторых случаях и сегодня, для получения нужного значения используют трансформаторы. Такой способ весьма прост, но обладает существенными недостатками: невозможность преобразования постоянного напряжения; большие габариты и вес трансформатора; необходимость использования дополнительных выпрямителей и стабилизаторов (в том числе с регулировкой) для каждого из значений напряжения вторичных обмоток; высокий уровень электромагнитных помех; низкий КПД. Большая часть перечисленных недостатков устранена в импульсных преобразователях.

Что такое импульсный преобразователь напряжения

Название конструкции произошло от принципа работы устройства. Выделяют такие основные особенности:

  • формирование высокочастотных импульсов;
  • преобразование амплитуды импульсов при помощи высокочастотного трансформатора;
  • выпрямление полученного напряжения.

У трансформатора много недостатков

Некоторые конструкции вместо трансформатора используют свойство емкости или индуктивности накапливать энергию. Разработаны микросхемы импульсных преобразователей (инверторов) напряжения, которые требуют для работы минимального количества дополнительных элементов. Это позволяет создавать конструкции с малым весом и габаритами.

Инверторный преобразователь

Обратите внимание! Даже преобразователи, использующие импульсный трансформатор, имеют намного меньшие размеры, чем классический трансформатор. Это связано с тем, что преобразование производится на высокой частоте.

Импульсное преобразование позволяет как повышать, так и понижать постоянное напряжение и легко производить его регулировку.

Технические характеристики прибора

Технические характеристики инверторов по большей части совпадают с таковыми у классических источников питания. Но есть и отличия. Импульсный преобразователь может работать при более широком диапазоне входного напряжения, имеет меньшие массу и габариты, более высокий КПД. Устройства отличаются высоким уровнем высокочастотных помех, но их легко снизить при использовании фильтров. Благодаря высокой частоте габариты фильтра невелики.

Обратите внимание! Инвертор имеет отрицательную величину входного сопротивления. На практике это выражается в том, что при увеличении напряжения питающей сети происходит снижение тока потребления.

Принцип работы

Принцип работы импульсного понижающего или повышающего преобразователя напряжения лучше рассмотреть на обобщенной блочной схеме. В основе схемы лежат:

  • выпрямитель;
  • входной фильтр;
  • генератор импульсов;
  • схема управления;
  • выходной выпрямитель;
  • выходной стабилизатор;
  • фильтр.

К сведению! Входное сетевое напряжение поступает на вход выпрямителя, а затем на фильтр, в результате чего получается постоянный ток, который служит для питания схемы устройства и для дальнейшей работы преобразователя.

Генератор формирует последовательность высокочастотных импульсов, а схема управления регулирует частоту или ширину импульсов. Данная регулировка позволяет изменять выходное напряжение в широких пределах, а также осуществлять его стабилизацию. Изменение тока нагрузки приводит к уменьшению напряжения.

Схема управления на основе измеренных данных дает команду на увеличение ширины импульсов, что приводит к увеличению напряжения. При уменьшении тока нагрузки происходят аналогичные изменения (импульс имеет меньшую длительность). Таким образом выполняется стабилизация.

Важно! Использование обратной связи гарантирует стабильность параметров не только при изменении нагрузки, но и в полном диапазоне входного напряжения.

Назначение преобразователя

Импульсные преобразователи используются для питания устройств различного назначения. Основная сфера применения — малогабаритные устройства, мощные стабилизаторы. Всем известны зарядные устройства с габаритами, сравнимыми с сетевой вилкой для мобильных устройств, а также инверторные сварочные аппараты, которые имеют в несколько раз пониженный, чем у трансформаторных устройств, вес и имеющие более высокие потребительские свойства.

Сварочный трансформатор

Обратите внимание! Использование инверторных преобразователей позволяет повысить экономичность устройств и снизить энергопротребление.

Как правильно и где использовать прибор

Применение импульсных устройств требует соблюдения некоторых условий:

  • экранировка корпуса прибора, чтобы понизить уровень излучаемых помех;
  • установка фильтров на входе устройства для предотвращения передачи помех через питающую сеть;
  • обеспечение циркуляции воздуха для эффективного охлаждения силовых элементов схемы.

Максимально допустимую нагрузку к источнику питания допускается подключать только при высоком значении входного напряжения. Это связано с тем, что при его снижении для обеспечения номинальных выходных значений полупроводниковые ключи генератора инвертора большую часть времени находятся в открытом состоянии. Это может вызвать их перегрев и выход из строя.

Важно! Большинство схем импульсных преобразователей напряжения построено таким образом, что часть элементов находится под потенциалом сети, что может вызвать удар электрическим током. Использовать такие преобразователи можно только при условии надежного заземления конструкции.

Микросхемы импульсных преобразователей

Для многих стандартных областей применения разработаны интегральные микросхемы стабилизаторов. Использование микросхем позволяет создавать конструкции, содержащие минимальное количество элементов и не требующие настройки. В случае питания небольшой нагрузки не требуется даже использование мощных ключевых элементов. Это позволяет создавать малогабаритные и надежные источники питания. В качестве примера зарядные устройства для мобильных телефонов.

Читайте также:  Схема регулятора напряжения ява 638

Преобразователь на ИМС

Интегральные микросхемы в преобразователях могут выполнять различные функции, поэтому они делятся по функциональному назначению:

  • широтно-импульсные преобразователи;
  • триггеры Шмидта;
  • стабилизаторы напряжения.

Выпускается большой ассортимент ИМС, совмещающих в себе все перечисленные функции. Одна и та же микросхема может выпускаться различными производителями под своим наименованием.

Обратите внимание! Проектирование и конструирование импульсных преобразователей напряжения облегчается наличием большого количества типовых схем, которые опробованы в работе, отличаются простотой и надежностью.

Что касается ремонта устройства, то во многих случаях это выполнять нецелесообразно, поскольку затраты по времени и трудоемкость работ не сопоставимы с низкой стоимостью элементов и готовой конструкции.

Таким образом, преобразователь — это важное устройство как в быту, так и в промышленности. Благодаря ему обеспечивается слаженная работа электрооборудования и сетей. Но в его использовании важно учесть условия и правила.

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Время-импульсный преобразователь

Метод время-импульсного преобразования позволяет создавать наиболее высокоточные преобразователи аналог-цифра с электрическим входом, но не с максимальным быстродействием. Время-импульсные преобразователи аналог-цифра используются в приемниках с цифровой индикацией при аналоговой передаче сигналов ВИМ и ШИМ через канал связи или на передающей стороне в кодо-импульсных устройствах телеизмерения. [47]

При перемене полярности линейное реле Л не срабатывает, так как оно включено через выпрямитель. Время-импульсный преобразователь своим контактом Д создает в линии связи импульс, длительность которого зависит от значения измеряемой величины. Длительность импульса измеряется соответствующим принимающим прибором. [49]

Рассмотрим основные типы преобразователей напряжения в код. Структурная схема время-импульсного преобразователя показана па рис. 3.49 а. [50]

Блок-схема регулятора ЦР-2А представлена на рис. 7 — II а. Регулятор состоит из время-импульсного преобразователя ВП , цифрового дифференциатора ЦД, цифрового интегрального блока ЦИ, тактового генератора ТГ и генератора импульсов заполнения ГЗ. Дифференцирующий блок, тактовый генератор, генератор импульсов заполнения и часть элементов интегрального блока относятся к вычислительному устройству, а шаговый двигатель ШД, схема, обеспечивающая коммутацию фаз К. [51]

В противном случае правильная работа пропорционального блока нарушается. Как уже отмечалось, во время-импульсном преобразователе предусмотрена схема ограничения. [52]

В устройстве применена кодоимпульсная система телеизмерения. На КП датчики телеизмерений подключаются к время-импульсному преобразователю . Эта аппаратура при работе от программного устройства обеспечивает управление группой объектов по заранее заданной программе. [54]

В устройстве применена кодо-имлульсная система телеизмерения. На КП датчики ДТИ подключаются к время-импульсному преобразователю . Эта аппаратура при работе от программного устройства обеспечивает управление группой объектов по заранее заданной программе. [55]

Структурная схема цифрового ваттметра МЗ-56 приведена на рис. 3.68. Усилитель постоянного тока УПТ усиливает выходное напряжение термоэлектрического преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу АЦП. Напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется с помощью время-импульсного преобразователя в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом индикаторе или может вводиться в устройство обработки измерительной информации. [57]

Позднее, в связи с развитием электрических методов измерения неэлектрических величин, были сделаны попытки его применения для передачи выходных электрических величин генераторных и параметрических чувствительных элементов. Простейшим решением этой задачи является ввод между электрическим чувствительным элементом и время-импульсным преобразователем вспомогательного преобразователя тока или напряжения в пропорциональный угол. [58]

Из этих уравнений, в частности, следует, что высокая точность кодирующего устройства может быть обеспечена только соответствующей точностью и стабильностью каждого звена, в котором осуществляется промежуточное преобразование. В этом смысле наибольшей популярностью у разработчиков в качестве промежуточных преобразователей пользуются частотные или время-импульсные преобразователи . При удачном схемном решении они обладают достаточной точностью и стабильностью, а сигнал с их выхода технически просто квантуется. [59]

В АЦП время-импульсного типа напряжение преобразуется в пропорциональный ему интервал времени, а последний — в число с помощью второго аналого-дискретного преобразователя. К сожалению, в дальнейшем при разработке электронных АЦП были использованы не лучшие пути построения структурной схемы и узлов время-импульсных преобразователей , вследствие чего укрепилось мнение, что этим устройствам свойственны значительные погрешности, вызванные нелинейностью и нестабильностью генератора линейного напряжения, нестабильностью генератора счетных импульсов, дрейфом схем сравнения [65] и большой температурной погрешностью, достигающей, согласно работе [50], 0 02 % / С. [60]

Читайте также:  Проверка регулятора напряжения генератора газель

Источник

Преобразователи напряжения импульсные

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:

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

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

Принцип действия

ИПН 24-12

Классические преобразователи с регулировкой выходного напряжения, как правило, управляют сопротивлением элемента, выполняющего регулировочную роль (транзистор или тиристор), через него постоянно протекает электрический ток, который и заставляет данный элемент нагреваться, при этом теряется значительная часть мощности. Главное преимущество такого устройства это минимум запчастей, простота, и отсутствие помех. Все остальные характеристики больше относятся к недостаткам.

Импульсный преобразователь напряжения использует регулировочный элемент лишь в виде ключа. То есть он работает в двух режимах:

  • Закрыт, и не пропускает электрический ток;
  • Открыт, и имеет минимальное проходное сопротивление.

При этом каждый из режимов обладает низким выделением тепла, что даёт возможность показывать высокий коэффициент полезного действия (КПД). Нагрузка же получает непрерывно электроэнергию за счёт накопления и хранения её в таких электрических резервуарах, как:

  1. Индуктивность (катушках);
  2. Конденсаторах.

Регулировка происходит за счёт изменения времени замкнутого состояния ключевого элемента. Снижение габаритов, а также массы устройств, возможно только за счёт повышения частоты, от 20 кГц до 1 МГц. Импульсные устройства могут формировать на выходе как пониженное напряжение, так и с изменением полярности. За счёт применения в них трансформаторов, работающих на высоких частотах позволяет:

  1. Качественно изолировать вход от выхода;
  2. Получить на выходе устройства несколько выходных напряжений.

Как и любое устройство импульсный преобразователь обладает и недостатками, которыми являются:

  1. Сложность схемы и наличие большего количества запчастей, а значит потенциально существует больше причин поломки;
  2. Являются источниками помех.

Однако постоянное развитие технологий в этом направлении снижают эти недостатки к минимальным значениям.

Классификация и виды импульсных преобразователей

Выпускаемые преобразователи можно разделить на три основные группы по роду тока:

  1. Конверторы. Выполняют преобразование переменного напряжения (АС) в постоянное (DC). Они применяются в основном в промышленности и в быту для изолированного питания устройств потребителей, где используется переменное напряжение 380/220 Вольт с частотой 50 Гц;
  2. Инверторы. Они постоянное напряжение преобразуют в переменное. Применяются в устройствах бесперебойного питания, а также сварочных аппаратах где за счёт такого преобразования есть возможность уменьшения габаритов, а значит и веса устройств.
  3. Конверторы постоянного напряжения. Преобразуют DC в DC. Применяются для питания аккумуляторных батарей и их подзарядки в системах где питание происходит от одного конвертора AC/DC, а каждый уже непосредственный аккумулятор получает за счёт конвертора DC/DC нужное конкретно для него напряжение.

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства. Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения. Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Читайте также:  Вопросы по трансформаторам напряжения

Повышающий преобразователь и схема

Повышающий преобразователь и схема

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии. Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее. Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

инвертирующая схема

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Схема 5

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента. Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке. Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Схема 6

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс. Основное их преимущество — это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал. Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Схема 7

Методы регулировки

Существуют три вида регулирования в системах импульсных преобразователей:

  1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Распространённый метод, который применяется в массовом производстве управляющих микросхем;
  2. Частотно-импульсное регулирование (ЧИМ). Здесь продолжительность когда ключ находится во включенном режиме должна быть согласована с периодом колебаний в контуре, обеспечивающем малые значения тока и напряжения на ключе в момент переключения. Используется там, где реализованы резонансные схемы.
  3. Комбинированный вид. Метод свойственен системам, в которых используется автоколебательный процесс, а частота переключения находится в зависимости и от напряжений на входе, и выходе преобразователя, и от величины тока в цепи потребителя;
  4. Триггерный метод. Используем исключительно в схеме понижающего регулятора, в котором необходимо, чтобы при закрытом состояния ключа, то есть транзистора, величина напряжения в нагрузке увеличивалась.

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

  • Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
  • Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
  • Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
  • Минимальные габариты и вес;
  • Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен. А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети. Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Источник