Все виды преобразователей напряжения. Что такое преобразователь напряжения.

Эти устройства способны не только оценить и адаптировать выходное напряжение, но и увеличить его. На практике чаще всего применяются установки, которые обеспечивают плавную регулировку значения выходного потенциала, что позволяет эффективно использовать их в различных электрических системах.

Преобразователь напряжения

Трансформатор напряжения — это электрическое устройство, которое изменяет значение напряжения в электрической цепи. В зарубежной технической литературе обычно упоминается, что это относится к оборудованию для цепей переменного тока; в противном случае такие устройства имеют название DC-DC конвертеров, которые считаются полноправными членами сокровищницы энергетических технологий.

Необходимость использования преобразователей напряжения возникает, когда электроприборы необходимо адаптировать к условиям, где стандарты промышленных сетей электроснабжения существенно отличаются от принятых у разработчиков техники. Например, частоты и амплитуды напряжений в Соединенных Штатах различаются от стандартов, принятых в Европе и России. Существует несколько исторических и технических причин подобных различий. Один из основополагающих вкладчиков в развитие электротехники, Никола Тесла, отмечал, что повышение частоты электросети позволяет значительно уменьшить вес медной обмотки трансформатора, а также при частоте около 700 Гц электрические сигналы становятся практически безопасными для человеческого организма. Тем не менее, при этом увеличиваются потери в сердечниках трансформаторов, и электромагнитные волны начинают активно излучаться в окружающее пространство.

С учетом вышеизложенного, США, под влиянием изобретений Николы Теслы, официально утвердили частоту 60 Гц в качестве стандартной. В то же время в Российской Федерации и большинстве европейских стран, идеи другого известного инженера—Доливо-Добровольского, который доказал преимущества трехфазных энергосетей, способствовали формированию стандарта 50 Гц. В результате этого, 50 Гц стали стандартом, распространенным по всей Евразии. На практике стандарты амплитуды напряжения также были выбраны достаточно целесообразно. К примеру, 220 вольт, считающийся опасным для человека, позволяет потребителям получать меньший ток за аналогичное время, что уменьшает требуемое поперечное сечение медных проводников. Сравнивая с американским стандартом 110 вольт, можно отметить, что такая величина напряжения не является полностью безопасной для человека. Этот факт хорошо известен, а фильмы и действия главных героев, которые часто используют электрический разряд, подчеркивают это.

Влияние параметров на работу электромашин описывается достаточно просто:

1. Частота вращения двигателя напрямую диктуется амплитудой питающего напряжения. Скорость вращения вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором напрямую зависит от частоты питающей сети. Например, для двигателя на 50 Гц и 60 Гц скорость будет различаться.
2. Нагревательные приборы, как правило, конструируются с учетом рабочего тока, который пропорционален величине приложенного напряжения. Активные сопротивления в них предопределяют, что мощность увеличивается вчетверо (поскольку мощность пропорциональна квадрату тока) при сопоставлении сетей 110/220 вольт. Потребитель ожидает, что оборудование будет работать в установленных номинальных параметрах, и может столкнуться с проблемами, если техника будет использоваться в условиях нестандартной эксплуатации.
3. Бытовая техника часто задействует напряжения, которые отличаются от стандартных сетевых, обладая строго фиксированной амплитудой. Для обеспечения нормального функционирования требуется использование блока питания, что, в свою очередь, подразумевает необходимость преобразователя напряжения.

Зачем мировой практике разные напряжения

С начала 20 века электрификация охватила почти все уголки мира и привлекла множество людей, обладающих как личными, так и общими интересами. Так, Эдисон активно продвигал концепцию использования постоянного тока, в то время как Тесла выступал за преимущества переменного тока. Инженер Доливо-Добровольский по различным причинам стал противником идей Теслы, что привело к конфликту интересов в сфере трехфазных сетей. Предполагается, что именно он вводил частоту 50 Гц, несмотря на то, что в США и Европе не раз поднимались массовые обсуждения в пользу множества других частот.

Что касается СССР, то здесь ситуация довольно ясна: 220 вольт использовались в военных и стратегических целях, что наблюдалось в контексте противостояния в холодной войне. Например, диаметр сигареты был задан так, чтобы операция по использованию специального оборудования проходила с максимальной эффективностью.

Местоположение преобразователей напряжения в общей классификации

С согласия авторов статей в Википедии мы представляем классификацию различных типов преобразователей мощности с целью разъяснения тем, о которых будет идти речь в данной статье:

• Постоянного тока:

1. Преобразователи уровня напряжения (уже были обсуждены выше).
2. Регуляторы напряжения.
3. Линейный стабилизатор напряжения.

Среди основных регуляторов сетевого напряжения выделяются:

• Преобразование переменного тока в постоянный:

1. Выпрямители.
2. Блоки питания.
3. Импульсные стабилизаторы напряжения.

• Преобразование постоянного тока в переменный:

1. Инверторы.

• Преобразование переменного напряжения:

1. Разнообразные трансформаторы.
2. Преобразователи напряжения.
3. Регуляторы напряжения.
4. Преобразователи формы и частоты напряжения.
5. Трансформаторы переменной частоты.

Таким образом, преобразователи сетевого напряжения формируют еще две категории. Первая категория охватывает силовые пакеты, каждый из которых имеет в своей структуре трансформатор напряжения. Преобразователи уровня соответствуют определению, принятому в России, и относятся к отдельной категории оборудования. Этот вопрос подробно объясняется в книге М.А. Шустова, посвященной данной тематике.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Высоковольтный преобразователь — это электронное устройство, предназначенное для генерации напряжений, которые могут достигать нескольких тысяч вольт. Такие устройства широко используются, к примеру, для высоковольтного питания телевизионных мотороскопов или в лабораторных исследованиях и испытаниях электрических систем при высоком напряжении. К примеру, кабели и автоматические выключатели, рассчитанные на напряжение 6 кВ, могут тестироваться с использованием напряжения, превышающего 30 кВ. Несмотря на это, такие высокие напряжения, как правило, не считаются опасными, так как при повреждении система быстро отключается. Из-за необходимости мобильности многие из этих инверторов являются достаточно компактными, что позволяет переносить их вручную между подстанциями. Важно отметить, что лабораторные источники питания и преобразователи, как правило, работают на основе опорного напряжения.

Простейшие высоковольтные трансформаторы могут использоваться для питания люминесцентных ламп. В таких системах стартер и дроссель (будь то электронные или электромеханические компоненты) способны значительно повысить напряжение до необходимого уровня.

Промышленные установки, преобразующие низкое напряжение в высокое, обычно оборудованы разнообразными защитными устройствами и получают питание от повышающих трансформаторов (ПТК). Справа представлена схема, которая демонстрирует возможность выхода от 8 до 16 тысяч вольт при потребности всего лишь в 50 В для надлежащей работы системы.

Из-за того, что обмотки трансформатора генерируют и передают высокое напряжение, требуется, чтобы изоляция этих обмоток была на высоком уровне. Для минимизации рисков возникновения случайных разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть аккуратно, без заусенцев и острых углов, приварены к печатной плате, а затем заполнены специальными изоляционными материалами, такими как эпоксидный состав или парафин, с толщиной слоя от 2 до 3 мм, чтобы обеспечить желаемую защиту. Эти электронные системы иногда называют повышающими преобразователями.

Следующая схема иллюстрирует линейный резонансный повышающий преобразователь напряжения, работающий в режиме усилительного преобразования. В этом случае отдельные модули инверторов позволяют работать с минимальными потерями на уровне как выключателей, так и в выпрямительном мосту, где возникает высокое напряжение.

Преобразователь напряжения для дома

Трансформаторы напряжения, используемые в быту, являются теми устройствами, с которыми большинство людей сталкиваются ежедневно, так как они служат источниками питания для различных электроприборов. Такие устройства обычно представляют собой понижающие преобразователи с гальванической развязкой. К примеру, зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков, персональных компьютеров, радиоприемников, стереосистем и различных медиаплееров — это только некоторые примеры повсеместного использования подобных устройств.

Источники бесперебойного питания (ИБП) часто оснащены аккумуляторными батареями, что позволяет поддерживать работу системы отопления и важных бытовых приборов в случаях неожиданного отключения электроэнергии. В некоторых случаях инверторы, используемые для домашних нужд, могут быть реализованы в инверторной системе, что подразумевает подключение к обычному источнику постоянного тока (батарее), чтобы преобразовать его в переменное напряжение 220 вольт с помощью химических реакций в системе. Одной из особенностей таких инверторов является возможность получения на выходе несмещённого чистого синусоидального сигнала.

Ключевым моментом для качественных преобразователей мощности для бытового использования является стабильность выходного напряжения, которое должно оставаться неизменным, независимо от того, какое напряжение подается на вход. Эта необходимость вызвана тем, что микросхемы и другие полупроводниковые компоненты требуют четко регулируемого напряжения для нормальной и стабильной работы, при этом отсутствие пульсаций становится необходимым фактором.

При выборе трансформатора напряжения для дома или квартиры важными критериям являются:

1. Мощность устройства;
2. Значение входного и выходного напряжения;
3. Способность к стабилизации и её предельные значения;
4. Ток на нагрузке;
5. Профилактика перегрева, что предполагает предпочтение работы преобразователя в режиме с запасом по мощности;
6. Возможности вентиляции устройства (естественными или принудительными методами);
7. Хорошая шумоизоляция;
8. Имеющиеся защитные механизмы от перегрузок и перегрева.

Выбор трансформатора напряжения представляет собой довольно сложную задачу, поскольку правильно выбранный аппарат значительно влияет на работоспособность и эффективность любого подсоединённого устройства.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

В последние годы бестрансформаторные преобразователи становятся все более популярными. Это связано с высокими затратами на производство трансформаторов, в частности обмоток, выполненных из цветного металла, стоимость которого постоянно растет. Основным преимуществом таких конвертеров является их цена. Однако среди недостатков выделяется один важный момент: выход из строя одного или нескольких полупроводниковых компонентов может привести к неожиданному закрытию всей выходной энергии на подключенное оборудование, что может отрицательно сказаться на его работоспособности. Примером простого преобразователя переменного тока в постоянный служит схема с тиристором в качестве регулирующего элемента.

В случае с инверторами без трансформаторов вопрос упрощается — они функционируют на основании усилителя напряжения. Они обеспечивают безопасность, так как даже в случае выхода из строя отдельных компонентов, заряд не представляет опасной энергии для оборудования.

Автомобильные инверторы

Модифицированные синусоидальные (квазисинусоидальные) трансформаторы, зачастую именуемые автомобильными инверторами, позволяют подключать устройства, которые не обладают сложной электроникой или цепями управления, как, например, дрели или лампы. Важно заметить, что такие устройства имеют относительно низкий коэффициент полезного действия, а также большое потребление вспомогательной электроэнергии, в связи с чем они рассчитаны на короткие временные промежутки непрерывной работы.

Инверторы с чистым синусом

Инверторы, генерирующие чистую синусоиду, обладают большей универсальностью и могут использоваться с любым видом оборудования, так как имеют корректную форму волны на выходе. Это востребовано при подключении высокочувствительных устройств, таких как насосы, современные холодильники и энергозависимые котлы с электроникой. Благодаря качественной форме сигнала, такие инверторы могут применяться в частных домах как для резервного электроснабжения, так и для непрерывного функционирования оборудования в случае отключения основного питания. При этом устройство автоматически переключается на питание от аккумулятора в считанные мгновения, сохраняя работу всех подключенных приборов без пауз.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Устройства, преобразующие постоянный ток в переменный, известны как инверторы постоянного/переменного тока. Они могут работать в качестве самостоятельных устройств или быть интегрированы в системы бесперебойного питания и преобразования энергии. Напряжение переменного тока формируется с помощью транзисторов в сочетании с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс периодического высокочастотного открытия и закрытия транзисторов в системе фактически меняет направление тока и создает синусоидальный график.

Важно не только представить собеседнику, как работает инвертор напряжения, но и учитывать, какую топологию он использует для формирования синусоидального сигнала. Различают две основных архитектурные схемы:

Первая — это топология полумоста с системой сквозной нейтрали. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой конструкцией. Однако к недостаткам можно отнести необходимость в наличии двухполярного источника питания и отношения к удвоению числа высоковольтных конденсаторов. Чаще всего данный вариант используется для легких нагрузок (от 0,5 до 1 кВт).

Вторая — это топология моста, которая является наиболее распространенной в конструкциях преобразователей мощности. Она приобрела популярность благодаря высокой надежности, не требует высокой входной емкости и минимизирует пульсации на транзисторах, несмотря на более сложные драйверные схемы и увеличение числа транзисторов для функционирования.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

К основным характеристикам инвертора относятся:

• Частота преобразователя напряжения и форма выходного напряжения. Лучше всего приобретать устройство, которое выдает чистый синусоидальный сигнал, что обеспечит возможность подключения наиболее чувствительного оборудования;
• Номинальная мощность, которая должна превышать суммарную мощность всех подключенных потребителей;
• Максимальная пиковая мощность. Она указывает на максимально допустимую нагрузку, которую сможет выдержать устройство при включении техники с малым значением коэффициента мощности (cos φ); примером могут служить электродвигатели, насосы или компрессоры;
• Точные значения входного и выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы определить необходимую мощность преобразователя постоянного тока в переменный, рекомендуется учитывать следующий алгоритм:

1. Суммировать мощность, потребляемую всеми подключаемыми устройствами—эту информацию можно получить из паспортных данных оборудования. К примеру, холодильник может потреблять 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, а пылесос — 1000 Вт. В результате суммируем: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
2. Учитывать пиковую нагрузку, для чего окончательный результат умножаем на коэффициент 1,3 (в нашем примере: 2700 Вт * 1,3 = 3510 Вт).
3. Учитывать коэффициент cos φ для получения результата в вольт-амперах. Для различных типов оборудования он может колебаться от 0,60 до 0,99. Для расчета рекомендуется брать минимальное значение. Пример: 3510 / 0,6 = 5850 ВА, что сопоставимо с 6 кВА. На основе этих данных стоит выбирать инвертор.

Все о преобразователе напряжения — понятие, характеристики и принцип действия

Устройства, способные выполнять преобразование переменного тока из других типов источников, классифицируются как преобразователи напряжения или инверторы.

На сегодняшний день такие устройства находят широкое применение как в машиностроении, так и в производстве разнообразного промышленного оборудования, а также в быту.

Давайте более подробно ознакомимся с функциональными возможностями и особенностями этого устройства.

Общая информация

Инвертор — это электроаппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии с определенными параметрами в электрическую энергию с другими параметрами.

В процессе работы рассматриваются следующие параметры: ток, напряжение и фаза.

Инверторы разделяются на:

• управляемые и неуправляемые, что подразумевает, что на выходе параметры могут либо варьироваться, либо оставаться неизменными
• электромашинные (вращающиеся) и полупроводниковые (статические), в свою очередь, полупроводниковые инверторы могут быть диодными, тиристорными и транзисторными
• выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения (как постоянного, так и переменного тока), фазовые преобразователи и многие другие

Наиболее распространенное применение на практике получает тиристорный или твердотельный транзисторный инвертор. Это связано с отличительными преимуществами этих моделей, такими как высокая скорость работы, эффективность использования, долговечность и простота в обслуживании и эксплуатации.

Однако, наряду с достоинствами, такие инверторы имеют и свои недостатки, например, они могут быть чувствительны к перегрузкам по току и напряжению.

Устройство прибора

Преобразователи напряжения требуют наличие нескольких ключевых компонентов для своего функционирования:

• ключевой коммутирующий элемент;
• источник питания;
• индуктивный накопитель питания;
• фильтра-конденсатор;
• блокировочный диод.

В зависимости от последовательности, комбинации и качества вышеперечисленных позиций создается тип инвертора, будь то повышающий или понижающий преобразователь.

Принцип работы

Инверторы напряжения выполняют генерацию необходимого напряжения для питания конкретного типа оборудования с максимальной эффективностью. Инвертор выполняет роль посредника, преобразуя напряжение из постоянного в переменное, что обеспечивается через последовательную цепь, состоящую из следующих этапов:

• Мощный генератор переменного напряжения, который получает питание от первоначального постоянного источника, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
• С вторичной обмотки осуществляется вывод переменного напряжения необходимой величины, которое затем выпрямляется.
• Если возникает необходимость, постоянное выходное напряжение подлежит стабилизации с помощью стабилизатора, который может быть подключен на выходе выпрямителя или регулировать параметры переменного напряжения, вырабатываемого генератором.
• Для достижения высокого коэффициента полезного действия в преобразователях напряжения активно используются генераторы, работающие в ключевом режиме и обеспечивающие необходимое напряжение с помощью логических схем.
• Выходные транзисторы генератора, коммутирующие напряжение на первичной обмотке, сменяют состояние с закрытого (где ток через транзистор отсутствует) на состояние насыщения, когда напряжение на транзисторе становится минимальным.
• Для высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется ЭДС самоиндукции, создаваемая на индуктивности при резком прерывании тока, где первичная обмотка повышающего трансформатора выступает в роли индуктивности. На вторичной обмотке формируется выходное напряжение, которое после этого подлежит выпрямлению. Подобные схемы способны производить напряжение до нескольких десятков кВ и часто используются для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и подобных устройств. К слову, такие системы позволяют достигать КПД в 80% и выше.

В ближайшие сессии будут также рассмотрены вопросы, касающиеся выбора цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Ремонт прибора

Ремонт устройств для преобразования напряжения лучше всего доверять проверенным сервисным центрам, где трудятся квалифицированные профессионалы, способные гарантировать высокое качество выполненных работ. На практике современные качественные преобразователи состоят из множества электронных компонентов, и если на первый взгляд не видно явных повреждений, выявить и устранить неисправность может быть довольно сложно.

Некоторые дешевые устройства китайского производства практически невозможно отремонтировать, что не скажешь о продукции российских производителей, которая может иметь несколько громоздкую конструкцию. В этом случае оказывается возможным произвести замену многих деталей на аналогичные, что значительно облегчает процесс обслуживания.

Простой самодельный инвертор напряжения 12-220В на двух транзисторах

В качестве трансформатора был задействован ферритовый стакан со следующими характеристиками: диаметр — 35 мм, высота — 20 мм. Сначала была намотана первичная обмотка с 14 витками провода диаметром 0,5 мм. После завершения намотки обмотки были покрыты слоем изоляционной ленты. Вторичная обмотка выполнена проводом диаметром 0,2 мм с 220 витками, также была дополнительно изолирована. После завершения всех операций остается только собрать половинки и установить их на болт.

Спустя бесчисленные проб и ошибок, я подобрал подходящие транзисторы, стараясь уменьшить ток потребления всей схемы. В конечном итоге я выбрал пару транзисторов КТ814 и КТ940, после чего отрегулировал другие компоненты схемы — резисторы и конденсаторы. Как результат, получилась работоспособная схема с описанными выше параметрами. Эта простая конструкция преобразователя напряжения прекрасно справляется с электросберегающими лампами мощностью 8, 9 и 11 Вт. Однако лампы в 20 ватт не работали, скорее всего по причине недостачи вторичного напряжения — в конечном счете, мне не пришлось переделывать трансформатор. Лампа на 9 ватт светит так же ярко, как и при подключении к обычной сети с напряжением 220 В. Потребляемая схема тока при этом колебалась от 0,5 до 0,54 ампера.

Если заменить транзистор КТ817 на КТ940 или подобные ему, потребляемый ток схемы возрастает до 0,86 ампера. Указанная схема преобразователя напряжения подойдет как для начинающих радиолюбителей, так и для тех, кто стремится к самостоятельному созданию технических решений. Основные преимущества данной конструкции заключены в простоте конструкции и ее надежности в работе.

Важно подчеркнуть, что множество радиолюбителей проживает в сельской местности и имеют ограниченные возможности приобретения запчастей, поэтому был создан простой преобразователь напряжения, который можно собрать из компонентов, собранных на местном рынке. С батареей на 7 ампер-часов процесс эксплуатации инвертора становится довольно предсказуемым — я сам проводил соответствующие эксперименты.

Как рекомендуемый ток зарядки 0,3C влияет на пластины аккумулятора?

В типичном свинцово-кислотном аккумуляторе зарядный ток 0,25-0,3C может ускорить процесс выброса водорода, что в свою очередь может привести к высыханию и расширению батареи. В случае углеродных батарей, благодаря эффекту емкости и большему количеству пластин, высокие токи равномерно распределяются, тем самым предотвращая нежелательные реакции разложения воды в составе электролита.

Неполадки в работе трансформатора напряжения часто возникают из-за использования неподходящих кабелей (например, применение алюминия вместо меди). Многие модели инверторов присутствуют на рынке предназначены специальным образом для работы только с батареями или стабилизированными источниками питания и не могут быть подключены к солнечным батареям или бензиновым генераторам.

Какие трудности могут возникнуть при ремонте трансформатора напряжения?

Основная сложность может заключаться в поиске аналоговых транзисторов и трансформаторов в случае недоступности оригинальных компонентов. Другие элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы или диоды, обычно не единообразны по конструкции, что позволяет применять любые доступные компоненты, отвечающие требованиям по напряжению, мощности и номиналу.