Princip činnosti a typy měničů napětí

Tento článek pojednává o elektrických obvodech měničů napětí, účelu a principu činnosti zařízení. Vysvětluje také, jaké typy zařízení existují, poskytuje doporučení pro jejich výběr a uvádí klíčové vlastnosti.

Obsah

Princip činnosti měničů napětí

Převodníky jsou zařízení určená k převodu vstupního napětí. Mohou jej zvýšit nebo snížit, přeměnit stejnosměrný proud na střídavý a naopak. Princip fungování zařízení tedy závisí na jeho typu. Existují následující hlavní typy zařízení.

DC/DC měniče

Říká se jim také DC/DC měniče. Používají se ve výpočetní technice, komunikačních, řídicích a automatizačních obvodech. Zajistěte snížení nebo zvýšení napětí ze zdroje energie (například baterií nebo galvanických článků) na hodnotu potřebnou k napájení zátěže. Některé modely mohou také invertovat signál, aby vytvořily napětí s obrácenou polaritou. Elektrický obvod měničů obvykle obsahuje prvky jako vstupní filtr, kondenzátor, induktory, spínací tranzistor nebo tyristor a diodu. Klíč je řízen PWM. Níže je funkční schéma zesilovacího měniče.

Kategorie DC/DC měničů zahrnuje měniče vysokého napětí. Používají se pro nízké proudové zátěže, které nevyžadují významné napájení. Patří mezi ně například čítače záření, ionizátory vzduchu a anody katodových trubic v osciloskopech.

Většina moderních DS/DS měničů má galvanické oddělení. U takových zařízení jsou vstupní a výstupní elektrické obvody odděleny izolační bariérou. Toto řešení umožňuje chránit osoby a připojenou zátěž před nouzovým zvýšením napětí na vstupu a také zlepšuje odolnost převodníku proti rušení.

AC/DC měniče (usměrňovače)

Měniče AC/DC slouží k přeměně střídavého napětí (např. běžného napětí domácích nebo průmyslových elektrických sítí 220/380 V) na stabilizované stejnosměrné napětí. Zařízení jsou široce používána v průmyslové automatizaci, výrobě napájecích zdrojů, telekomunikacích, dopravě, galvanizaci, elektrárnách a svářecích strojích. V závislosti na použitých výkonových spínačích jsou usměrňovače:

1. Tyristor. Obvykle se skládají z následujících hlavních součástí:

• transformátor. Nezbytné pro snížení/zvýšení napětí, stejně jako galvanické oddělení usměrňovače od sítě;
• tyristorový můstek (skupina ventilů). Určeno k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný a regulaci (stabilizaci) parametrů usměrněného proudu bez ohledu na kolísání napětí na vstupu;
• řídicí jednotka ventilové skupiny;
• kapacitní, indukční nebo kombinovaný filtr (LC filtr). Je určen pro vyhlazení pulzací výstupních parametrů.

2. Tranzistor. Složení takových usměrňovačů zahrnuje následující prvky:

• vstupní LC filtr. Nutné chránit napájecí síť před rušením vytvářeným usměrňovačem;
• diodový můstek;
• RF převodník. Určeno pro přeměnu stejnosměrného proudu na vysokofrekvenční pulzní proud a regulaci (stabilizaci) parametrů usměrněného proudu bez ohledu na kolísání vstupního napětí;
• RF transformátor. Navrženo pro snížení/zvýšení napětí pulzního proudu;
• diodový nebo tranzistorový usměrňovací můstek. Navrženo pro přeměnu vysokofrekvenčního pulzního proudu na stejnosměrný proud;
• Řídicí blok;
• výstupní LC filtr.

DC na AC měniče

Tato zařízení se nazývají DC/AC střídače. Mohou být použity jako samostatné zařízení nebo být součástí nepřerušitelných zdrojů napájení a systémů přeměny energie. Generování střídavého napětí se provádí pomocí tranzistorů a PWM. Periodické vysokofrekvenční otevírání/zavírání tranzistorů v elektrickém obvodu zajišťuje změnu směru toku proudu a získává se sinusoida.

Důležité je nejen to, jak napěťový střídač funguje, ale také to, jakou topologii sinusového průběhu používá. Existují dvě hlavní možnosti:

Topologie polovičního můstku s průchozí neutrální. Vyznačuje se minimálním počtem výkonových tranzistorů a celkem jednoduchým obvodem. Mezi nevýhody patří nutnost použití bipolárního zdroje a dvojnásobný počet vysokonapěťových kondenzátorů. Tato možnost se obvykle používá pro nepříliš výkonné zátěže (0,5-1 kW).

Topologie mostu. Nejběžnější obvod ve výkonových měničích. Vyznačuje se zvýšenou spolehlivostí, nevyžaduje velkou vstupní kapacitu a poskytuje minimální zvlnění na tranzistorech. Mezi nevýhody patří zvýšená složitost budiče a zvýšený počet tranzistorů.

Kritéria výběru a výpočet napěťového měniče

Nejdůležitější vlastnosti měniče:

• frekvence a tvar napětí měniče napětí. Je vhodné zakoupit aparaturu, která produkuje čistý sinusový signál. K takovému převodníku lze připojit i vysoce citlivé zařízení;
• jmenovitý výkon. Musí být vyšší než celkové zatížení všech připojených spotřebičů;
• maximální špičkový výkon. Tato hodnota určuje maximální zatížení, které zařízení vydrží při připojení zařízení s nízkou hodnotou cos f. Mezi taková zařízení patří elektromotory, čerpadla, kompresory;
• hodnota vstupního/výstupního napětí a síly elektrického proudu.

Pro výpočet požadovaného výkonu DC / AC měniče musíte:

1. Sečtěte energii spotřebovanou připojeným zařízením. Přebírá se z pasových údajů pro zařízení. Například chladnička – 200 W, pračka – 1500 W, vysavač – 1000 W. Celkem celkem: 200 + 1500 + 1000 = 2700 wattů.
2. Zvažte špičkové zatížení. Za tímto účelem vynásobíme výsledné množství faktorem 1,3 (pro uvažovaný příklad: 2700 * 1,3 = 3510 W).
3. Vezměte v úvahu koeficient cos f, abyste získali výsledek ve voltampérech. Jeho hodnota pro různá zařízení se pohybuje v rozmezí 0,60. 0,99. Pro výpočet je lepší vzít minimální hodnotu. 3510/0,6 = 5850 VA ≈ 6 kVA. Právě touto hodnotou byste se měli řídit při výběru měniče.

Závěr

Článek zkoumal hlavní typy měničů napětí, vlastnosti jejich práce a rozsah. Dále byly uvedeny typické elektrické obvody měničů napětí a popsána kritéria pro výběr DC / AC měničů.

Měniče napětí jsou široce používány jak v každodenním životě, tak ve výrobě. Pro výrobu a průmysl se nejčastěji vyrábí na zakázku, protože potřebují výkonný měnič a ne vždy se standardním napětím. Standardní hodnoty pro výstupní a vstupní parametry se často používají v každodenním životě. To znamená, že měnič napětí je elektronické zařízení, které je navrženo ke změně typu elektřiny, její velikosti nebo frekvence.

Podle funkčnosti se dělí na:

1. Snížení;
2. Zvyšování;
3. bez transformátoru;
4. střídač;
5. Nastavitelný s nastavitelnou frekvencí a výstupním střídavým napětím;
6. Nastavitelné s nastavitelným konstantním výstupním napětím.

Některé z nich mohou být vyrobeny ve speciálním utěsněném provedení, tyto typy zařízení se používají do vlhkých prostor, nebo obecně pro instalaci pod vodou.

Jaký je tedy každý typ?

Vysokonapěťový měnič

Takové elektronické zařízení, které je navrženo pro příjem střídavého nebo stejnosměrného vysokého napětí (až několik tisíc voltů). Taková zařízení se například používají k výrobě vysokonapěťové energie pro televizní kineskopy a také k laboratornímu výzkumu a testování elektrických zařízení s několikanásobným napětím. Kabely nebo silové obvody olejových spínačů dimenzované na napětí 6 kV jsou zkoušeny napětím 30 kV a vyšším, tato hodnota napětí však nemá vysoký výkon a při poruše se okamžitě vypne. Tyto měniče jsou poměrně kompaktní, protože je musí personál přenášet z jedné rozvodny do druhé, nejčastěji ručně. Je třeba poznamenat, že všechny laboratorní napájecí zdroje a konvertory mají téměř referenční, přesné napětí.

Pro spouštění zářivek se používají jednodušší vysokonapěťové měniče. Impuls lze značně zvýšit na požadovanou úroveň pomocí startéru a plynu, které mohou mít elektronický nebo elektromechanický základ.

Průmyslové instalace, které převádějí nízké napětí na vysoké napětí, mají mnoho ochran a jsou prováděny pomocí stupňovitých transformátorů (STV). Zde je jeden z těchto obvodů, který dává výkon od 8 do 16 tisíc voltů, přičemž k jeho provozu je potřeba pouze asi 50 V.

Vzhledem k tomu, že ve vinutích transformátorů vzniká a proudí dosti vysoké napětí, jsou na izolaci těchto vinutí i na její kvalitu kladeny vysoké nároky. Aby se vyloučila možnost koronových výbojů, musí být díly vysokonapěťového usměrňovače k ​​desce připájeny opatrně, bez otřepů a ostrých rohů, poté jsou z obou stran vyplněny epoxidovou pryskyřicí nebo vrstvou parafínu 2 . .. tloušťka 3 mm, která poskytuje izolaci od sebe navzájem. Někdy se těmto elektronickým systémům a zařízením říká step-up měnič napětí.

Následující obvod je lineární rezonanční měnič napětí, který pracuje v režimu zesílení. Je založen na oddělení funkcí zvyšování U a jeho jasné stabilizaci ve zcela jiných kaskádách.

Některé invertorové jednotky lze přitom vyrobit s minimálními ztrátami na výkonových spínačích i na narovnaném můstku, kde se objevuje vysoké napětí.

Domácí měnič napětí

Běžný člověk se často setkává s měniči napětí pro domácnost, protože mnoho zařízení má napájecí zdroj. Nejčastěji se jedná o redukční měniče s galvanickým oddělením. Například nabíječky pro mobilní telefony a notebooky, osobní stacionární počítače, rádia, stereo systémy, různé přehrávače médií a tento seznam může pokračovat velmi dlouho, protože jejich rozmanitost a použití v každodenním životě jsou v poslední době velmi široké.

Záložní zdroje jsou vybaveny zásobníky energie ve formě baterií. Taková zařízení se také používají k udržení účinnosti topného systému při neočekávaném výpadku proudu. Někdy mohou být měniče pro domácnost vyrobeny podle invertorového obvodu, to znamená, že jeho připojením ke zdroji stejnosměrného proudu (baterii) fungujícímu v důsledku chemické reakce můžete na výstupu získat normální střídavé napětí, jehož hodnota bude být 220 voltů. Charakteristickým rysem těchto obvodů je schopnost získat na výstupu čistý sinusový signál.

Jednou z velmi důležitých vlastností převodníků používaných v každodenním životě je stabilní hodnota signálu na výstupu zařízení bez ohledu na to, kolik voltů je přiváděno na jeho vstup. Tato funkční vlastnost napájecích zdrojů je dána skutečností, že pro stabilní a dlouhodobý provoz mikroobvodů a jiných polovodičových zařízení je vyžadováno jasně standardizované napětí a dokonce bez zvlnění.

Hlavní kritéria pro výběr konvertoru pro dům nebo byt jsou:

1. Napájení;
2. Velikost vstupního a výstupního napětí;
3. Možnost stabilizace a její limity;
4. Velikost proudu na zátěži;
5. Minimalizace zahřívání, to znamená, že je lepší, aby měnič pracoval v režimu s výkonovou rezervou;
6. Větrání zařízení může být přirozené nebo nucené;
7. Dobrá zvuková izolace;
8. Ochrana proti přetížení a přehřátí.

Volba měniče napětí není snadný úkol, protože na správně zvoleném měniči závisí i činnost napájeného zařízení.

Beztransformátorové měniče napětí

V poslední době se těší velké oblibě, neboť jejich výroba a zejména výroba transformátorů vyžaduje nemalé peníze, protože jejich vinutí je vyrobeno z barevného kovu, jehož cena neustále roste. Hlavní výhodou takových převodníků je samozřejmě cena. Mezi negativními aspekty je jedna věc, která jej výrazně odlišuje od transformátorových zdrojů a měničů. V důsledku poruchy jednoho nebo více polovodičových zařízení se veškerá výstupní energie může dostat na svorky spotřebiče, což jej jistě poškodí. Zde je jednoduchý převodník AC na DC. Roli regulačního prvku plní tyristor.

Jednodušší je situace u měničů, které nemají transformátory, ale pracují na bázi a v režimu zařízení zvyšujícího napětí. Zde, i když jeden nebo více prvků selže, se na nákladu neobjeví nebezpečná destruktivní energie.

DC-DC měniče

AC/DC měnič je nejčastěji používaným typem zařízení tohoto typu. V každodenním životě jsou to všechny druhy napájecích zdrojů a ve výrobě a průmyslu jsou to napájecí zařízení:

• Všechny polovodičové obvody;
• Budicí vinutí synchronních motorů a stejnosměrných motorů;
• Cívky solenoidů olejových spínačů;
• Provozní obvody a vypínací obvody, kde cívky vyžadují stejnosměrný proud.

K tomuto účelu se nejčastěji používá tyristorový měnič napětí. Charakteristickým rysem těchto zařízení je úplná a nikoli částečná konverze střídavého napětí na stejnosměrné napětí bez jakéhokoli zvlnění. Výkonný měnič napětí tohoto typu musí nutně obsahovat chladiče a ventilátory pro chlazení, protože všechny elektronické části mohou dlouhodobě a bezporuchově pracovat pouze při provozních teplotách.

Nastavitelný měnič napětí

Tato zařízení jsou navržena tak, aby fungovala jak v režimu zvýšení napětí, tak v režimu snížení napětí. Nejčastěji se stále jedná o zařízení, která provádějí plynulou úpravu výstupního signálu, který je nižší než vstupní. To znamená, že na vstup je přivedeno 220 voltů a na výstupu získáme nastavitelnou konstantní hodnotu, například od 2 do 30 voltů. Takové přístroje s velmi jemným nastavením se používají k testování ukazovacích a digitálních přístrojů v laboratořích. Je velmi výhodné, když jsou vybaveny digitálním ukazatelem. Je třeba přiznat, že každý radioamatér vzal tento typ jako základ svých prvních prací, protože napájecí zdroj pro určitá zařízení může mít různé velikosti a tento zdroj energie se ukázal jako velmi univerzální. Jak vyrobit kvalitní převodník s dlouhou životností, to je hlavní problém mladých radioamatérů.

Invertorový měnič napětí

Tento typ měničů je základem inovativních kompaktních svařovacích zařízení. Zařízení obdrží střídavé napětí 220 voltů pro napájení a narovná jej, načež jej opět střídá, ale již s frekvencí několika desítek tisíc Hz. To umožňuje výrazně zmenšit rozměry svařovacího transformátoru instalovaného na výstupu.

Invertorová metoda se používá i pro napájení topných kotlů z baterií v případě nečekaného výpadku proudu. Díky tomu systém pokračuje v provozu a přijímá 220 voltů střídavého napětí z 12 voltů stejnosměrného napětí. Výkonné posilovací zařízení k tomuto účelu musí být napájeno z velkokapacitní baterie, od toho se odvíjí, jak dlouho bude kotel zásobovat elektřinou. To znamená, že kapacita v tom hraje klíčovou roli.

Vysokofrekvenční měnič napětí

Díky použití zesilovacích měničů je možné zmenšit velikost všech elektronických a elektromagnetických prvků, které tvoří obvody, což znamená snížení nákladů na transformátory, cívky, kondenzátory atd. To však může způsobit vysoké frekvenční rádiové rušení, které ovlivňuje provoz jiných elektronických zařízení, systémů, a dokonce i běžných rádiových přijímačů, takže jejich kryty musí být spolehlivě odstíněny. Výpočet převodníku a jeho rušení musí provést vysoce kvalifikovaný personál.

Co je to odporový měnič napětí?
Jedná se o speciální typ, který se používá pouze při výrobě a výrobě měřicích přístrojů, zejména ohmmetrů. Koneckonců, základ ohmmetru, tedy zařízení, které měří odpor, je vyroben v měření poklesu U a jeho převodu na číselníkové nebo digitální indikátory. Obvykle se měření provádějí ve vztahu ke stejnosměrnému proudu. Měřicí převodník je technický nástroj sloužící k převodu naměřené hodnoty na jinou hodnotu nebo měřicí signál, vhodný pro zpracování, uložení, další transformace, indikaci a přenos. Je součástí každého měřicího zařízení.

Převodník proudu na napětí

Ve většině případů jsou ke zpracování signálů reprezentovaných jako napětí potřeba všechny elektronické obvody. Někdy se však musíte vypořádat se signálem ve formě proudu. Takové signály vznikají například na výstupu fotorezistoru nebo fotodiody. Pak je žádoucí co nejdříve převést proudový signál na napětí. Převodníky napětí na proud se používají, když proud v zátěži musí být úměrný vstupu U a nezávisí na zátěži R. Zejména při konstantním vstupu U bude proud v zátěži také konstantní, proto se takové měniče někdy běžně nazývají stabilizátory proudu.

Oprava měniče napětí

Opravy těchto zařízení pro přeměnu jednoho typu napětí na jiný se nejlépe provádějí v servisních střediscích, kde je personál vysoce kvalifikovaný a následně poskytne záruky na provedenou práci. Nejčastěji se všechny moderní vysoce kvalitní převodníky skládají z několika stovek elektronických dílů, a pokud nejsou žádné zjevné spálené prvky, bude velmi obtížné najít poruchu a opravit ji. Některá čínská levná zařízení tohoto typu jsou obecně v zásadě zbavena možnosti jejich opravy, což nelze říci o domácích výrobcích. Ano, mohou být trochu objemné a ne kompaktní, ale lze je opravit, protože mnoho jejich částí lze vyměnit za podobné.