Способы преобразования постоянного тока

Преобразование постоянного тока в переменный и наоборот

Эйси в диси и диси в эйси) — преобразования постоянного тока в переменный и наоборот.

Источники тока и напряжения — это розетки или батарейки на бытовом уровне. На более продвинутым уровне познания электричества для получения тока и напряжения применяются другие варианты.

И для определенных целей может пригодится как ток постоянной величины, так и ток переменной величины. Поэтому важно уметь преобразовывать один во второй без существенных потерь.

Для преобразования постоянного тока в переменный используется инвертор — устройство, предназначенное для получения из постоянного тока одной величины переменный ток другой величины.

Для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямление формы синусоиды до пульсирующего значения, или до формы прямой. Для этих целей служат — выпрямительные диоды, выпрямители, схемы выпрямления, диодные мосты — как бы это всё об одном и том же, но есть нюансы.

Выпрямительный диод — полупроводник, принцип которого на википедии сравнивают с действием обратного клапана (обратный клапан кстати встречается в аквариумистике в схеме компрессора), «амперка» же сравнивает данный радиокомпонент с ниппелем (как у камеры авто или велосипеда). Так вышеприведенные системы пропускают в одном направлении воду или воздух, выпрямительные же диоды работают с потоком электронов.

Назначение выпрямительного диода в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямлении).

Выпрямитель — устройство, преобразующее переменный ток в постоянный пульсирующий. Может быть однополупериодный, двухполупериодный; однофазный, трехфазный, многофазный; диодный (мостовой), тиристорный (используется для изменения величины мощности выпрямленного сигнала).

Схемы выпрямления — различные схемы, на входе у которых переменный ток, а на выходе различный выпрямленный. Самыми популярными являются: схема Ларионова, схема Греца, схема Миткевича. И опять же 1-,2-х полупериодные; 1-, 3-х фазные и их сочетания.

Диодный мост — специальное устройство, состоящее из диодов, которые собраны в определенной последовательности. Можно сделать своими руками, предварительно рассчитав, или же купить готовый по требуемым параметрам.

Также особо важную роль в выпрямлении берут на себя сглаживающие фильтры — различные индуктивные и емкостные фильтры, используемые в схемах выпрямления для получения из тока пульсирующего ток постоянный.

Вот такие основные способы преобразования постоянки в переменку и наоборот. Далее у меня в планах более подробно описать изложенное в этом материале, но в других статьях.

2020 Помегерим! — электрика и электроэнергетика

Источник

Преобразователь постоянного тока в постоянный — DC-to-DC converter

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток представляет собой электронную схему или электромеханическое устройство , которое преобразует источник постоянного тока (DC) от одного напряжения уровня к другому. Это разновидность преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низкого (маленькие батареи) до очень высокого (передача энергии высокого напряжения).

СОДЕРЖАНИЕ

История

До разработки силовых полупроводников одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока в более высокое напряжение для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора , затем с помощью повышающего трансформатора и, наконец, выпрямитель . Там, где требовалась более высокая мощность, часто использовался двигатель-генератор , в котором электродвигатель приводил в действие генератор, который вырабатывал желаемое напряжение. (Двигатель и генератор могли быть отдельными устройствами или их можно было объединить в единый «динамоторный» блок без внешнего приводного вала.) Эти относительно неэффективные и дорогие конструкции использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника. (в котором затем использовались термоэмиссионные клапаны (трубки), требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора на 6 или 12 В). Появление силовых полупроводников и интегральных схем сделало его экономически выгодным благодаря использованию описанных ниже методов. Например, первое — это преобразование источника питания постоянного тока в высокочастотный переменный ток в качестве входа трансформатора — он маленький, легкий и дешевый из-за высокой частоты — который изменяет выпрямленное напряжение обратно на постоянное. Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высоких напряжений, некоторые радиолюбители продолжали использовать источники вибраторов и динаматоры для мобильных приемопередатчиков, требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны.

Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейного регулятора или даже резистора, эти методы рассеивали избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с твердотельными импульсными схемами.

Использует

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры , которые питаются в основном от батарей . Такие электронные устройства часто содержат несколько суб- схем , каждый со своим собственным уровнем напряжения требования отличным от того , запитывается от аккумулятора или от внешнего источника (иногда выше или ниже , чем напряжение питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ увеличения напряжения из частично пониженного напряжения батареи, тем самым экономя место вместо использования нескольких батарей для достижения одной и той же цели.

Большинство схем преобразователя постоянного тока также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают в себя высокоэффективные источники питания светодиодов , которые представляют собой своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный, который регулирует ток через светодиоды, и простые насосы заряда, которые удваивают или утраивают выходное напряжение.

Преобразователи постоянного тока в постоянный, которые предназначены для максимального увеличения сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин , называются оптимизаторами мощности .

Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения при частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми для мощности, превышающей несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или катушки индуктивности, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, более легких и дешевых компонентов намотки. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно выпрямлять сетевое напряжение до постоянного тока, использовать импульсные методы для преобразования его в высокочастотный переменный ток с желаемым напряжением, а затем, как правило, выпрямлять его до постоянного тока. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователи постоянного тока в постоянный широко используются для микросетей постоянного тока в контексте различных уровней напряжения.

Электронное преобразование

Практические электронные преобразователи используют методы переключения. Преобразователи постоянного тока в постоянный с переключенным режимом преобразуют один уровень постоянного напряжения в другой, который может быть выше или ниже, путем временного сохранения входной энергии и последующего выделения этой энергии на выход с другим напряжением. Хранение может быть либо в компонентах хранения магнитного поля (катушки индуктивности, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Импульсное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, которое рассеивает нежелательную мощность в виде тепла. Для повышения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводникового устройства; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем. Более высокий КПД импульсного преобразователя снижает потребность в теплоотводе и увеличивает срок службы аккумуляторной батареи портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов благодаря использованию силовых полевых транзисторов , которые могут переключаться более эффективно с меньшими коммутационными потерями на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и используют менее сложную схему управления. Другим важным усовершенствованием преобразователей постоянного тока является замена обратного диода на синхронное выпрямление с использованием силового полевого транзистора, сопротивление которого во включенном состоянии намного ниже, что снижает потери при переключении. До широкого распространения силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий вакуумную лампу или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.

Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный предназначены для перемещения мощности только в одном направлении, от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов могут быть двунаправленными и иметь возможность перемещать мощность в любом направлении путем замены всех диодов на независимо управляемое активное выпрямление . Двунаправленный конвертер является полезным, например, в применениях , требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где власть поставляется с колес во время движения, но поставляемых с колес при торможении.

Несмотря на то, что для них требуется небольшое количество компонентов, переключающие преобразователи сложны в электронном виде. Как и все высокочастотные цепи, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания коммутируемого шума ( EMI / RFI ) на приемлемом уровне. Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в устройствах с понижением напряжения, но их стоимость снижается с развитием дизайна микросхем.

Преобразователи постоянного тока в постоянный доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих нескольких дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных гибридных схемных модулей, готовых к использованию в электронном узле.

Линейные регуляторы, которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входа путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , могут быть описаны буквально как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это необычно. использование. (То же самое можно сказать и о простом резисторе с понижением напряжения , независимо от того, стабилизирован ли он следующим регулятором напряжения или стабилитроном .)

Существуют также простые емкостные удвоители напряжения и схемы умножителей Диксона, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целочисленное значение, обычно обеспечивающих лишь небольшой ток.

Магнитный

В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитного поля в катушке индуктивности или трансформаторе , обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения / выключения), количество мощности, передаваемой на нагрузку, можно более легко контролировать, хотя это управление также может применяться к входному току, выходной ток или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на базе трансформатора могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин « преобразователь постоянного тока в постоянный» относится к одному из этих переключающих преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные.

Источник

Несколько слов об инверторах, или как из постоянного тока сделать переменный

Преобразование одного вида тока в другой требуется довольно часто. Способ превращения переменного в постоянный прост: применяется диодный мост и сглаживающий конденсатор.

А вот как из постоянного тока сделать переменный, знают не все. Между тем, в сфере электротехники такое преобразование, как будет показано далее, также выполняется довольно часто.

Способы получения электричества

Электроток производят с помощью таких устройств:

1. механические генераторы. Состоят из двух частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Статор — постоянный или электрический магнит, ротор содержит обмотку из провода. При вращении ротора пересекающий его обмотку магнитный поток все время меняется, что приводит, согласно закону электромагнитной индукции, к возникновению ЭДС. Ротор приводится во вращение внешней силой: двигателем (автомобиль), потоком воды (гидроэлектростанция), давлением пара (атомные и тепловые электростанции), ветром и т.д. Ток на выходе генератора будет переменным. Для получения постоянного требуется дополнительное механическое устройство — коллектор;
2. гальванические элементы (ГЭ) и аккумуляторы. Превращают в электричество химическую энергию за счет окислительно-восстановительной реакции. Простейший ГЭ: медная и цинковая пластины, погруженные, соответственно, в растворы сернокислой меди и сульфата цинка, изолированные друг от друга пористой перегородкой (элемент Якоби-Даниэля). В результате окисления каждый атом цинка на цинковой пластине (анод) отдает 2 электрона, переходящие по электрической цепи на медную пластину (катод) и восстанавливающие на нем положительно заряженные ионы меди. ГЭ называют первичными химическими источниками тока (ХИТ). Аккумуляторы — вторичные ХИТ. Принцип работы схож, но химическую энергию им сначала нужно сообщить, подключив систему к источнику тока. Заряжать и разряжать аккумулятор можно многократно, тогда как ГЭ используется только один раз;
3. фотоэлементы. Действие основано на способности полупроводников генерировать ток при облучении светом. В этом можно убедиться, срезав верхнюю часть корпуса транзистора и поместив его под солнечные лучи: на выводах прибора мультиметр покажет напряжение;
4. термоэлементы. Действие основано на эффекте Зеебека: в замкнутой цепи из двух проводов, выполненных из разных металлов, при нагревании одной из двух зон контакта между ними возникает ЭДС. Такие цепи называют термопарами и в основном применяют в качестве термодатчиков. К примеру, для измерения температур от +0 0 С до +100 0 С применяют пару медь – константан, в диапазоне +100 0 С — +600 0 С — серебро и константан.

Как из постоянного сделать переменный?

Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называют инвертором. Существует несколько видов этих аппаратов.

Инвертор с электродвигателем

Вал двигателя постоянного тока подсоединяется к скользящему контактному узлу, состоящему из двух частей:

• вращающейся: состоит из нескольких кольцевых и сегментных пластин, упакованных в форме цилиндра;
• неподвижной: графитовые щетки в щеткодержателях.

Одна пара щеток подключена к источнику постоянного тока, другая — к цепи переменного тока. Первая пара контактирует с кольцевыми пластинами, другая — с сегментными.

Часть последних электрически соединена с положительным кольцом, другая — с отрицательным. При вращении двигателя щетки цепи переменного тока по очереди контактируют с сегментными пластинами, в результате чего направление тока постоянно меняется. Более качественный переменный ток дает связка «двигатель постоянного тока – механический генератор», но у этого инвертора ниже КПД.

Релейный инвертор

Тут же пружина отбрасывает сердечник в исходное положение, так что к упомянутому контакту подключается катод. Такие колебания повторяются многократно, пока на катушку соленоида подается постоянный ток.

Электронный инвертор

С появлением и постепенным удешевлением полупроводников электромеханические инверторы перекочевали в разряд устаревших.

В их электронном аналоге ток перенаправляется ключевыми транзисторами, управляемыми микросхемой. Именно такие инверторы применяются в инверторных сварочных аппаратах, импульсных блоках питания, ИБП и др.

При использовании особых быстро переключающихся транзисторов такой инвертор способен создать из постоянного тока переменный с частотой в десятки кГц. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора и потери в нем (сварочные аппараты, импульсные блоки питания). Существует несколько видов электронных инверторов. Они описываются в последнем разделе.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

1. частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
2. амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;
3. действующее значение. Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;
4. форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

1. он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
2. при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
3. сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

1. трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
2. индукционные нагреватели;
3. дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

• напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
• тока;
• резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

1. мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
2. ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
3. мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Принципиальная схема преобразователя

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

1. ИН с прямоугольным выходным сигналом. С целью обеспечить требуемую пропорциональность U_вых. управляющая схема варьирует относительную длительность импульсов ключами либо сдвигает по фазе сигналы управления противофазных групп ключей (зависит от конструктивных особенностей переключающего модуля);
2. ИН со ступенчатым выходным напряжением. Обрабатывают входной сигнал в два этапа: путем высокочастотного преобразования формируется однополярный ступенчатый сигнал, близкий к синусоиде с уменьшенным вдвое периодом, а при помощи мостового преобразователя он превращается в разнополярный с требуемым периодом;
3. ИН с синусоидальным выходным напряжением. Входной постоянный ток также обрабатывается в 2 этапа: путем высокочастотного преобразования формируется постоянное напряжение, почти равное амплитуде требуемого переменного напряжения, а затем мостовым инвертором, действующим по принципу многократной широтно-импульсной модуляции.

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.

Видео по теме

О том, как из постоянного тока сделать переменный и наоборот, в видео:

У каждой разновидности тока есть и преимущества, и недостатки. Потому инверторы и выпрямители применяются достаточно часто. В статье приведены только основные схемы преобразователей, всего же их довольно много.

Источник