Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Понижаем переменное напряжение

Рассмотрим типовые ситуации, когда нужно опустить напряжение, чтобы подключить прибор, который работает от переменного тока, но напряжение его питания не соответствует привычным 220 Вольтам. Это может быть, как различная бытовая техника, инструмент, так и упомянутые выше светильники.

Подключение бытовой техники из США на 110 В к сети 220 В

Пожалуй, самая частая ситуация возникает, когда человек покупает из зарубежных интернет-магазинов какой-то прибор, а по его получении определяет, что он рассчитан на питание от 110 Вольт. Первый вариант – это перемотать трансформатор питающий устройство, но большинство приборов работают от импульсного источника питания, а для подключения электроинструмента – лучше вообще обойтись без перемотки. Для этого нужно использовать понижающий трансформатор. Кроме этого вы можете понизить напряжение в сети с помощью автотрансформатора или обычного трансформатора с отводами от первичной обмотки на 110-127В – такие часто встречались в советских телевизорах и других электроприборах.

Однако при использовании такого включения трансформатора, если произойдет, обрыв части обмотки после отвода 110 Вольт (см. рисунок ниже) все 220В подойдут на прибор, и он выйдет из строя.

Если говорить о готовых устройствах, то можно обратить внимание на автотрансформаторы «ШТИЛЬ».

Важно! При покупке трансформаторов или автотрансформаторов учитывайте номинальный ток его обмоток и мощность, которую он выдержит.

Более надежным вариантом решения проблемы будет понизить напряжение с 220 до 110В или с 220 до 127В с помощью трансформатора. На рынке есть множество компаний, которые продают такие изделия, в основном это тороидальные трансформаторы. Они бывают в металлических боксах или корпусах меньших размеров со встроенной розеткой, а также в виде адаптеров в пластиковых корпусах.

Подведём итоги, перечислив основные требования к трансформатору для питания 110В приборов:

  1. На выходе трансформатора должно быть 110В, а на входе – 220В.
  2. Мощность трансформатора должна быть больше чем мощность подключаемого прибора хотя бы на 20%.
  3. Желательно защитить первичную и вторичную цепь с помощью предохранителя.
  4. Доступ к выводам высокого напряжения должен быть ограничен, а все соединения изолированы.

Понижаем напряжение для питания низковольтных светильников

В начале статьи мы упомянули о том, что переносной светильник должен питаться от пониженного напряжения. В быту этот вопрос будет особо актуален для автолюбителей при ремонте автомобиля в гараже. Такие же светильники используются и в качестве местного источника света на станках (сверлильных, токарных, заточных и прочих).

Для того чтобы понизить напряжение с 220 до 36В, можно использовать трансформаторы марки:

  • ОСО 0.25 220/36В;
  • ОСМ 0.063кВт 220/36;
  • ОСЗР 0.063кВт 220/36В;
  • Ящик с понижающим трансформатором ЯТП-0,25 220 36В (это готовое решение в металлическом корпусе для монтажа в помещениях, класс защиты IP54).

Для понижения напряжения с 220 до 12В можно использовать трансформаторы марки:

  • ОСО25 220/12В;
  • TRS 300W AC 220 B-AC 12B (тороидальный не занимает много места);
  • 30ВА, 230/12В, 2,5А INDEL TSZS30/005M (маломощный для установки на DIN рейку).

Понижение напряжения в доме

Наряду со скачками в электросети часто возникает проблема с повышенным и пониженным напряжением. Это приводит к преждевременному выходу из строя нагревательных приборов, ламп и других устройств у потребителя. Допустим вам нужно понизить напряжение с 260 до 220В, значит ваш выбор – использование стабилизатора напряжения. Они бывают разных типов, самый дешевый из них – релейный, по сути это автотрансформатор, в котором реле автоматически переключают отводы от обмотки.

Если вам нужно защитить конкретный прибор, например, компьютер – используйте маломощные модели мощностью порядка 1000 ВА (1 кВа), такие, как SVEN VR-L1000, его стоимость 17-20 долларов. Но учтите, что активная выходная мощность у них меньше указанной полной в Вольт-Амперах. К примеру, модель на 1 кВА, может питать нагрузку до 0,3-0,4 кВт. Также смотрите на характеристики. Указанная модель выдерживает до 285 Вольт, но большинство моделей упираются в 260 В.

Чтобы защитить весь дом в большинстве случаев хватит модели RUCELF SRWII-12000-L её полная мощность 12000 ВА, а нагрузочная способность по активной мощности – 10000 Вт. Он выдерживает входное напряжение вплоть до 270В.

Более подробно узнать о том, как выбрать стабилизатор напряжения и какие бывают стабилизаторы, мы рассказывали в статьях:

Балластный конденсатор для питания маломощных устройств

Для питания маломощных устройств можно обойтись без трансформатора – одним конденсатором. Такая схема называется бестрансфторматорный блок питания на балластном конденсаторе. Принцип его работы основан на ограничении тока с помощью реактивного сопротивления ёмкости. Ниже вы видите варианты её реализации.

Расчёт ёмкости балластного конденсатора для бестранформаторного питания производится исходя из потребления тока нагрузкой и напряжения её питания.

Или по такой формуле, результат они дают приблизительно одинаковый:

Кстати, выражение под корнем в результате при расчётах конденсаторов для питания устройств от 5-20В даёт примерно 220, или значение равное Uвходному.

Такой источник питания подходит для подключения приёмников, светодиодов, ночников, зарядки небольших аккумуляторов и других маломощных потребителей.

Понижаем постоянное напряжение

При конструировании электроники часто возникает необходимость понижения напряжения имеющегося блока питания. Мы также рассмотрим несколько типовых ситуаций.

Если вы работаете с микроконтроллерами – могли заметить, что некоторые из них работают от 3 Вольт. Найти соответствующие блоки питания бывает непросто, поэтому можно использовать зарядное устройство для телефона. Тогда вам нужно понизить его выход с 5 до 3 Вольт (3,3В). Это можно сделать, если опустить выходное напряжение блока питания путём замены стабилитрона в цепи обратной связи. Вы можете добиться любого напряжения как повышенного, так и пониженного – установив стабилитрон нужного номинала. Определить его можно методом подбора, на схеме ниже он выделен красным эллипсом.

А на плате он выглядит следующим образом:

На следующем видео автор демонстрирует такую переделку, только не на понижение, а на повышение выходных параметров.

На зарядных устройствах более совершенной конструкции используется регулируемый стабилитрон TL431, тогда регулировка возможна заменой резистора или соотношением пары резисторов, в зависимости от схемотехники. На схеме ниже они обозначены красным.

Кроме замены стабилитрона на плате ЗУ, можно опустить напряжение с помощью резистора и стабилитрона – это называется параметрический стабилизатор.

Еще один вариант – установить в разрыв цепи цепочку из диодов. На каждом кремниевом диоде упадёт около 0,6-0,7 Вольт. Так опустить напряжение до нужного уровня можно, набрав нужное количество диодов.

Часто возникает необходимость подключить устройство к бортовой сети автомобиля, оно колеблется от 12 до 14,3-14,7 Вольт. Чтобы понизить напряжение постоянного тока с 12 до 9 Вольт можно использовать линейный стабилизатор типа L7809, а, чтобы опустить с 12 до 5 Вольт – используйте L7805. Или их аналоги ams1117-5.0 или ams1117-9.0 или amsr-7805-nz и подобные на любое нужное напряжение. Схема подключения таких стабилизаторов изображена ниже.

Для питания более мощных потребителей удобно использовать импульсные преобразователи для понижения и регулировки напряжения от источника питания. Примером таких устройств являются платы на LM2596, а в англо-язычных интернет-магазинах их можно найти по запросам «DC-DC step down» или «DC-DC buck converter».

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на которых наглядно рассмотрены способы понижения напряжения:

Вот и все наиболее рациональные варианты, позволяющие понизить напряжение постоянного и переменного тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Наверняка вы не знаете:

  • Что делать, если низкое напряжение в сети
  • Как сделать сетевой фильтр своими руками
  • Как сделать трансформатор в домашних условиях

Частота пульсаций в нагрузке R(по порядку, Гц):

Алёна, простите, но РемонтАуд. нет — ресурс ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ, т. е предназначен для общения и обмена опытом совершенно определённой группы людей — мастеров по ремонту бытовой аппаратуры (БРЭА) , и входное тестирование на сайте введено как раз для того, чтобы:
1) оградить сайт от непрофессиональных вопросов;
2) оградить потенциальных клиентов от непрофессионального ремонта своих аппаратов, что в дальнейшем может привести к лишнему геморрою для мастеров или вообще доведению аппарата до полной неремонтопригодности;
3) оградить Вас и Вам подобных от нападок мастеров по поводу Вашего непрофессионализма.
Т. е, этим тестом ресурс ПРЕДУПРЕЖДАЕТ, что это ЗАКРЫТОЕ сообщество, и не зная «устава» этого монастыря, соваться туда не стОит — Вам же спокойнее будет.
Поэтому, хотя ответ на вопрос и очевиден, я сам не стану его давать, и призываю к тому же остальных, хоть сам я «живу» на другом ресурсе того же профиля, и сайт Ремонт-Ауд. нет в какой-то мере наш конкурент.. . Или коллега.. . С какой стороны смотреть.

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)}\) , представлены на рис. 3.4-1б.

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

На интервале времени \(\left\) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале \(\left\) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

\(= — \cfrac{U_{вх max}}{T \omega} \cos{\left( \omega t \right)}{\huge \vert \normalsize}_{0}^{T/2} \approx \cfrac{U_{вх max}}{\pi} = \sqrt{2} \cfrac{U_{вх д}}{\pi}\),

где \(U_{вх д}\) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

\(I_{н ср} = \cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi} I_{max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d} t \approx \cfrac{I_{max}}{\pi} = {0,318} \cdot I_{max} \),

где \(I_{max}\) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

Действующее значение тока нагрузки \(I_{н д}\) (через диод протекает такой же ток):

\(I_{н д} = \sqrt{\cfrac{I_{max}^2}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi^{ }} \sin{\left( \omega t \right)}^2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \)

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

\(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} — \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left( 2 \omega t \right)} — \)

\( — \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left( 4 \omega t \right)} — {…} \)

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

\(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\).

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

\( I_д = \cfrac{U_{вх} — U_н}{r} \) ,

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

Учитывая, что \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \):

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left\):

\(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left( \sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)} \right) \)

Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left( \beta \right)}} \):

\(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left( \beta \right) \),

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

\( С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

\( U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} = L \cfrac{\operatorname{d} I_н}{\operatorname{d} t} + I_н R_н \)

Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

\(I_н(t) = \cfrac{U_{вх max}}{\sqrt{R_н^2 + {\left( \omega L \right)}^2}} \left( \sin{\left( \omega t — \theta \right)} + e^{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{( \theta )} \right) \),

где \( \theta = \operatorname{arctg} \left( \cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *