Преобразователь напряжения

Как работают преобразователи и для чего нужны

Преобразователи могут работать по транзисторной схеме, либо по принципу высокочастотного преобразования импульсов напряжения. Второй тип отличают малые габаритные размеры, большая мощность и высокий КПД.
Большинство преобразователей оснащены системами защиты от внутренних перегрузок и перенапряжений. Модели с гальванической развязкой почти полностью исключают поломку электрооборудования, связанную со скачками напряжения бортовой сети, обеспечивают их надежную работу.
Ток на выходе преобразователя варьируется от 5 до 25 Ампер. На входе имеются клеммы для подключения к сети машины, выход выполняется либо такими же клеммами, либо разъемом или даже в виде гнезда прикуривателя.
Конвертеры рассчитаны, обычно, на большой диапазон температур (от -40 до +40 градусов). Для преобразователей большой мощности предусматривается воздушное охлаждение с помощью специального вентилятора, а также устройства ребер на самом корпусе устройства.

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение представляет собой схему, которая, как следует из названия, принимает ток в амперах и преобразует его в соответствующее количество напряжения. Эти преобразователи используют резистор для поддержания согласованного количества энергии, что предпочтительнее использовать токи при изменении их расхода. Запуск устройства по напряжению обычно потребляет меньше энергии, чем при той же работе, что и ток. Очень мало электрических устройств работают от токов, поэтому, если источник питания находится в виде тока, например, от аккумуляторной батареи автомобиля, часто требуется преобразование.

Существует два основных типа преобразователей тока — напряжения — пассивный и активный. Пассивный преобразователь тока в напряжение является более простым и обычно не используется в реальных условиях. В идеальной среде можно поддерживать постоянный ток, и никакая энергия не будет потеряна во время процесса преобразования, но поскольку это невозможно, активный преобразователь будет работать лучше. Активный преобразователь тока в напряжение добавляет операционные усилители (op-amp) к цепи, обеспечивая достаточную добавленную мощность, чтобы сделать преобразователь функциональным в реальной ситуации.

После того, как ток был преобразован в напряжение и был увеличен с помощью ОУ, напряжение можно затем использовать для питания любого электронного устройства. Обычно используется резистор для уменьшения количества электричества, проходящего через контур, к точному количеству, требуемому устройством. Это предотвращает перегрузку цепи.

Недавнее изобретение, называемое переключаемым преобразователем напряжения конденсатора, позволяет преобразовывать токи в напряжение без использования резисторов для поддержания количества электричества, проходящего через цепь. Они используют конденсаторы, чтобы еще более точно контролировать величину сопротивления, приложенного к напряжению. Они также меньше и могут быть размещены на небольших печатных платах.

Поскольку многие научные приборы используют ток как единицу измерения для входного сигнала, преобразователь тока в напряжение также широко используется в лабораториях. В частности, эти инструменты используются в лабораторных ситуациях, которые включают в себя тестирование и проектирование многих типов инструментов. Большинство этих преобразователей проверяют и поддерживают машины, используемые в лабораторных или промышленных условиях, но в повседневном использовании существуют некоторые распространенные версии. Они используются при тестировании и обслуживании средств контроля и безопасности транспортных средств, таких как автомобили и самолеты. В электронных частях автомобиля также используются преобразователи.

Потребность в хорошем преобразователе тока в напряжение, вероятно, будет расти в будущем. Требования к механике безопасности и необходимость использования электронных компонентов на современных автомобилях обеспечивают постоянный спрос и использование преобразователей тока и напряжения. Их использование в академических и промышленных областях, вероятно, будет оставаться высоким и, вероятно, увеличится благодаря новым технологическим достижениям.

Заказать ЭП8543

Возможно Вам будут интересны другие приборы из категории Аналоговые измерительные преобразователи:

Конструкция прибора

Преобразователь состоит из нескольких обмоток (минимум – двух). Первая и основная подключается к сети, а вторая направляется к целевому прибору. Обмотки могут выполняться из алюминиевого или медного сплавов, но в обоих случаях, как правило, используется дополнительная лаковая изоляция. Провода наматываются на изоляционную основу, которая фиксируется на сердечнике – магнитопроводе. В низкочастотных преобразователях сердечники изготавливаются из трансформаторной стали или магнитно-мягкого сплава, а в высокочастотных – на основе феррита.

Сам низкочастотный магнитопровод формируется наборами пластин Ш, Г или П-образной формы. Ферритовые сердечники обычно выполняются цельными – такие детали присутствуют в составе сварочных инверторов и трансформаторов гальванической развязки. Маломощные высокочастотные трансформаторы и вовсе обходятся без сердечника, так как его функцию выполняет воздушная среда. Для интеграции в электротехнические приборы конструкция магнитопровода обеспечивается каркасом. Это так называемый блок импульсного преобразователя, который закрывается защитной крышкой с маркировкой и предупреждающими надписями. Если в процессе ремонта потребуется включить аппарат со снятой крышкой, эту операцию выполняют через УЗО или развязывающий трансформатор.

Если говорить о преобразователях, которые используются в современной радио- и электротехнике, то между ними и классическими трансформаторами напряжения будет существенная разница. Наиболее ощутимо снижение габаритов и массы. Импульсные устройства могут весить несколько граммов, причем эксплуатационные характеристики сохраняются на том же уровне.

Принцип построения инверторов [ править | править код ]

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения. В зависимости от конструктивного исполнения модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий, таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей. В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его выходную величину .

Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.

Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции»). Идея этой «многократной» ШИМ заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора коммутируется на высокой частоте (многократно) при широтно-импульсном управлении. Причём длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по синусоидальному закону . Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора. . При использовании однополярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0 и U_d, где U_d — напряжение постоянного тока, питающего инвертор) эффективное значение первой гармоники фазного напряжения U e f f ( 1 ) = 0.45 U d <displaystyle U_<
m >^<(1)>=0.45U_<
m >>При использовании двуполярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0, -U_d/2 и U_d/2) амплитудное значение первой гармоники фазного напряжения U m ( 1 ) = 0.5 U d <displaystyle U_<
m >^<(1)>=0.5U_>соответственно, эффективное значение U e f f ( 1 ) = 0.35 U d <displaystyle U_<
m>^<(1)>=0.35U_<
m >>

Инверторы напряжения с самовозбуждением

Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений при достаточно высокой энергетической эффективности привело к их широкому применению в маломощных источниках питания в системах промышленной автоматики и генерировании сигналов прямоугольной формы, особенно в тех приложениях, где отсутствует необходимость в управлении процессом передачи энергии. В этих инверторах используется положительная обратная связь, обеспечивающая их работу в режиме устойчивых автоколебаний, а переключение транзисторов осуществляется за счет насыщения материала магнитопровода трансформатора. В связи со способом переключения транзисторов, с помощью насыщения материала магнитопровода трансформатора, выделяют недостаток схем инверторов, а именно низкий КПД, что объясняется большими потерями в транзисторах. Поэтому такие инверторы применяются при частотах f <displaystyle f>не более 10 кГц и выходной мощности до 10 Вт. При существенных перегрузках и коротких замыканиях в нагрузке в любом из инверторов с самовозбуждением происходит срыв автоколебаний (все транзисторы переходят в закрытое состояние).

Принципы классификация

Источники питания сварочной дуги классифицируются по многим градациям. В их числе:

• по предназначению — для ручной сварки, сварки под флюсом или в среде защитного газа (например, аргонодуговой);
• по числу сварочных постов, которые можно подключить единовременно;
• по способности передвигаться — мобильные и стационарные;
• по способу производства энергии — преобразователи или производители;
• по роду выходного тока;
• по ВАХ (вольт-амперная характеритика).

Основными параметрами сварочного аппарата для сварщика являются назначение данного конкретного агрегата и сварочный ток, который он выдает. Во многих случаях ключевым требованиям является подбор нужной вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Так, например, для сварки в среде защитных газов требуются устройства с жесткой характеристикой, варящие постоянным током. Для ручной и полуавтоматической сварки под флюсом применяются аппараты переменного и постоянного тока с падающей характеристикой.

Некоторые современные источники питания сварочной дуги универсальны: имеют много режимов работы, в том числе позволяют менять род сварочного тока и изменять его ВАХ.

Методы модуляции

Широкое развитие силовых электрических преобразователей в последние десятилетия привело к увеличению количества исследований в области модуляции. Метод модуляции непосредственно влияет на эффективность всей энергосистемы (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Главная цель методов модуляции – добиться лучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены посредством использования правильного способа модуляции, такие как уменьшение синфазной помехи, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, снижение скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, необходим компромисс. Каждая и каждое приложение должны быть глубоко изучены для определения наиболее подходящего метода модуляции.

• Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
• ШИМ — широтно-импульсная модуляция
• ПВМ — пространственно-векторная модуляция
• гармоническая модуляция
• методы переключения переменной частоты

ТОП 3 — лучшие модели преобразователей и их технические характеристики

Рейтинг составлен на основании популярности и представляет собой подборку лучших,
по мнению экспертов, автомобильных инверторов 2020 года.

AVS IN-2000W

 Автомобильный инвертор
12 в 220 высокой мощности до 2 киловатт. Выпускается в алюминиевом
корпусе, чтобы содействовать отводу тепла. Есть встроенный кулер охлаждения. На
корпусе имеются удобные монтажные отверстия, крепится через них на стенку
грузовика или микроавтобуса. Способен выдавать ток силой до 10 Ампер.

Преимущества AVS IN:

• разъём USB, что позволяет
  интегрировать зарядку для сотового или навигатора без дополнительного адаптера;
• мощная встроенная защита от
  замыкания;
• длительная и надёжная работа —
  до 5 лет непрерывной эксплуатации;
• удобная клавиша включения.

Минусы:

• дороговизна — 7 тысяч рублей и
  более;
• чересчур короткие провода для
  подключения через клеммы АКБ;
• невозможность интеграции с
  прикуривателем;
• большой вес — более 2
  килограммов;
• всего 1 розетка для
  подключения, поэтому нужен отдельный тройник для питания нескольких
  устройств.

ROBITON R200

Инвертор на 150 Ватт, предназначенный для преобразования постоянного тока в
переменный. Есть возможность подключения ноутбука, зарядников, различных
электрических инструментов. Имеется удобный разъём USB, обеспечивающий
дополнительные возможности. Выполнен с использованием передовых технологий,
имеет систему многоуровневой защиты:

• короткое замыкание;
• перегрев;
• перегрузка;
• переполюсовка;
• недостаточное входное
  напряжение.

Преобразователь 12 в 220 имеет силовую
розетку типа F — контакты заземлены. Во время перегревов автоматически
отключается. Наличие встроенного вентилятора.

WESTER MSW250
12-​220В+​USB

По соотношению выходной мощности и удобства эксплуатации инвертор от
производителя Wester называют лучшим среди аналогов. Он выдаёт стабильное
напряжение в 250 Ватт, пиковая нагрузка способна доходить до 500 Ватт. Легко интегрируется
с прикуривателем — не нужно останавливаться в пути, чтобы подключить адаптер к
клеммам АКБ.

Вот какие плюсы данного преобразователя отмечены экспертами:

• наличие светодиодной индикации,
  позволяющей наблюдать за работой устройства, перегревом, спящим режимом;
• относительно низкая стоимость —
  от 1700 рублей;
• наличие отдельного USB-разъёма,
  интегрируемого с фотоаппаратом и телефонами;
• качественная, плотная
  евророзетка, в которой вилки от различной бытовой техники не выпадают даже
  от сильных вибраций на бездорожье;
• возможность подключения к
  прикуривателю, что исключает случайную переполюсовку и защищает
  выпрямитель от перегорания;
• система автоматического
  распознавания низкого и чересчур высокого напряжения, самоотключение;
• наличие отдельного
  предохранителя;
• защита от короткого замыкания;
• небольшой вес.

Есть и минусы:

• не интегрируется с ноутбуками 2
  А;
• кулер громко шумит во время
  охлаждения.

Принцип работы устройства

Представьте, что вы аккумулятор постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас вместо этого произвести переменный. Как бы вы это сделали? Если весь ток, который вы производите, вытекает в одном направлении, как насчет добавления простого переключателя на ваш выход? Включение и выключение вашего тока может очень быстро обеспечить импульсы DС, которые могли бы выполнять как минимум половину работы. Чтобы сделать правильный AC, вам понадобится переключатель, который позволит полностью отменить ток и сделать это примерно 50−60 раз в секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, которая меняет контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту.

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку, подключенному к трансформатору. А так как электромагнитные устройства, которые меняют низковольтный переменный на высоковольтный ток или наоборот, используя две катушки провода (называемые первичной и вторичной) ранами вокруг общего железного ядра.

В механическом инверторе либо электродвигатель, либо какой-либо другой механизм автоматического переключения переворачивает входящий ток вперед и назад в основном просто путем изменения контактов и генерирует переменный во вторичном режиме. Коммутационное устройство работает так же, как в электрическом дверном звонке. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, вытягивает его и очень быстро отключает. Пружина снова вернет переключатель, включив его, и потом будет повторять процесс снова и снова.

Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:

• Регулирование напряжения.
• Синхронизация частоты переключения ключей.
• Защитой их от перегрузок.

Однофазные инверторы [ править | править код ]

Существуют несколько групп инверторов:

• Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синусоидальное выходное напряжение.
• Вторая группа обеспечивает выходное напряжение упрощённой формы, заменяющей синусоиду. Чаще всего используется сигнал в виде трапецеидального синуса

Для подавляющего большинства бытовых приборов не допустимо использовать переменное напряжение с упрощённой формой сигнала. Синусоида важна для приборов, содержащих электродвигатели/трансформаторы и некоторых телекоммуникационных, измерительных, лабораторных приборов, медицинской аппаратуры, а также профессиональной аудио аппаратуры. Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц.

Существуют три режима работы инвертора:

• Режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.
• Режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.
• Режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок.

В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 1,5-2 раза превышающую номинальную. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника.

Инвертора мощностью 150 Вт достаточно, чтобы запитать от бортовой электросети автомобиля практически любой ноутбук. Для питания и зарядки мобильных телефонов, аудио и фотоаппаратуры хватит 7,5 Вт.

Применение многоуровневых инверторов [ править | править код ]

Многоуровневые инверторы включают в себя матрицу силовых полупроводников и конденсаторных источников напряжения, выход которых генерирует напряжения со ступенчатыми формами сигналов. Коммутация переключателей позволяет добавлять напряжения конденсатора, которые достигают высокого напряжения на выходе, в то время как силовые полупроводники должны выдерживать только пониженные напряжения. На рисунке справа показана принципиальная схема одного фазового отрезка инверторов с различным количеством уровней, для которых действует мощность полупроводников представленных идеальным выключателем с несколькими положениями.

Двухуровневый инвертор генерирует выходное напряжение с двумя значениями (уровнями) относительно отрицательного терминала конденсатора , в то время как трехуровневый инвертор генерирует три напряжения и так далее.

Представим, что m является количеством шагов фазового напряжения относительно отрицательного терминала инвертора, тогда количество шагов в напряжении между двумя фазами загрузки k,

k = 2 m + 1 <displaystyle k=2m+1>

и количество шагов p в фазовом напряжении трехфазной нагрузки в соединении

p = 2 k − 1 <displaystyle p=2k-1>

Имеется три различные топологии для многоуровневых инверторов: зафиксированная на диод (нейтрально зафиксированная) ; зафиксированная на конденсатор (навесные конденсаторы); и каскадно-расположенный многоэлементный с отдельными источниками постоянного тока .Кроме того, несколько модуляций и стратегий управления были разработаны или приняты для многоуровневых инверторов включая следующее: многоуровневая синусоидальная модуляция длительности импульса (PWM), многоуровневое выборочное гармоническое устранение и векторная пространством модуляция (SVM).

Основные положительные стороны многоуровневых инверторов заключаются в следующем:

1) Они могут генерировать выходные напряжения с чрезвычайно низким искажением и понизить dv/dt.

2) Они тянут входной ток с очень низким искажением.

3) Они генерируют меньшее напряжение общего режима (CM), таким образом уменьшая стресс в моторных подшипниках. Кроме того, с помощью сложных методов модуляции, напряжения CM могут быть устранены.

4) Они могут работать с более низкой частотой переключения.

Топология каскадных многоуровневых инверторов

Различная топология преобразователя представленная здесь, основывается на последовательном соединении однофазных инверторов с отдельными источниками постоянного тока. Рисунок справа показывает цепь электропитания для одного участка фазы девятиуровневого инвертора с четырьмя клетками в каждой фазе. Получающееся фазовое напряжение синтезируется добавлением напряжений, сгенерированных различными участками.

Каждый однофазный инвертор полного моста генерирует три напряжения на выводе: + Vdc, 0, и — Vdc. Это стало возможным путем подключения конденсаторов последовательно с ac стороной через четыре выключателя питания. Получающееся выходное колебание напряжения переменного тока от-4 Vdc до 4 Vdc с девятью уровнями и ступенчатой формой сигнала, почти синусоидальной, даже без применения фильтров.

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.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Такое электронное устройство, которое предназначено для получения переменного или постоянного высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Например, такие устройства применяются для получения высоковольтной энергии на кинескопы телевизоров, а также для лабораторных исследований и проверки электрооборудования напряжением, повышенным в несколько раз. Кабеля или же силовые цепи масляных выключателей, рассчитанных на напряжение 6 кВ, испытывают напряжением 30 кВ и выше, правда, такая величина напряжения не обладает высокой мощностью, и при пробое сразу же отключается. Эти преобразователи довольно компактны ведь их приходится переносить персоналу от одной подстанции к другой, чаще всего вручную. Нужно заметить, что все лабораторные блоки питания и преобразователи обладаю почти эталонным, точным напряжением.

Более простые высоковольтные преобразователи применяются для запуска люминесцентных ламп. Сильно повысить импульс до нужного можно за счёт стартера и дросселя, которые могут иметь электронную или же электромеханическую основу.

Промышленные установки, выполняющие преобразование более низкого напряжения в высокое, имеют множество защит и выполняются на повышающих трансформаторах (ПТН). Вот одна из таких схем дающая на выходе от 8 до 16 тысяч Вольт, при этом для его работы необходимо всего около 50 В.

Из-за того, что в обмотках трансформаторов вырабатывается и протекает довольно высокое напряжение, то и к изоляции этих обмоток, а также к её качеству предъявляются высокие требования. Для того чтобы устранить возможность появления коронирующих разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате аккуратно, без заусенцев и острых углов, после чего залиты с обеих сторон эпоксидной смолой или слоем парафина толщиной 2…3 мм, обеспечивающим изоляцию друг от друга. Иногда данные электронные системы и устройства называют повышающий преобразователь напряжения.

Следующая схема представляет собой линейный резонансный преобразователь напряжения, который работает в режиме повышения. Он основан на разделении функций повышения U и его чёткой стабилизации в абсолютно разных каскадах.

При этом некоторые инверторные блоки можно заставить работать с минимальными потерями на силовых ключах, а также на выпрямленном мосте, где появляется высоковольтное напряжение.