Все Вы наверное задавались вопросом: "А как получить постоянное напряжение из переменного?" Ну что ж, пора думаю раскрыть эту тайну:-) , хотя это тайной и не назовешь. В этой статье я покажу основы, а какое напряжение получить - это уже решать вам. Оказывается, на деле все это гораздо проще, чем кажется.
Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под "постоянным напряжением". Как гласит нам Википедия, постоянный напряжение (он же и постоянный ток) - это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю. Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации . А вот собственно и осциллограмма постоянного напряжения:
Следовательно, процесс ректификации должен быть выполнен. Наконец, используются регуляторы, которые поддерживают постоянное напряжение. В основном два выпрямителя хорошо известны, это полуволновый выпрямитель, а второй - выпрямитель с полной волной. Здесь только половина волны используется только в качестве выхода, тогда как полный волновой выпрямитель позволяет всей волне и преобразует всю волну в одном направлении, увеличивая пропускную способность тока.
Мы все знаем, что выходное напряжение преобразователей переменного тока с использованием диодов не контролируется. Это потому, что диод является саморегулируемым переключателем. Включение диода зависит от полярности напряжения катода. Отключение зависит от полярности тока устройства. Выходное напряжение можно контролировать, если диод может быть заменен переключателем, включение и выключение которого может управляться переменным управляющим напряжением, которое отличается от анодного напряжения катодом.
Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).
Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор . А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение , мы с Вами после трансформатора подключали Диодный мост . На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.
Важным приложением является обеспечение связи постоянного тока между источником переменного тока одной частоты и частотой переменного тока другой частоты. Средняя мощность передается от источника переменного тока в постоянную нагрузку. Преобразователь переменного тока в постоянный ток называется выпрямителем.
Переменный ток и его параметры
Пиковое обратное напряжение представляет собой максимальное обратное напряжение, которому подвергается диод, когда он не является проводящим. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный ток. Этот поток происходит только в одном направлении. Простой иллюстрацией является диод. Выпрямители обычно используются в источниках питания, детекторах, системах передачи, ноутбуках, видеосистемах и телевизорах. Существуют три типа выпрямителей.
Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения
получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?
Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:
Выпрямитель с половинной волной Выпрямитель с полной волной. . Его схема состоит из трансформатора, в котором применяется напряжение, и одного диода последовательно с сопротивлением. В полуволновом выпрямителе отрицательный полуволновый цикл входного напряжения отключается, а другая положительная половина волны будет приниматься за выход.
Полноволновый выпрямитель: если подключены два диода, проводимость проходит через один диод в течение следующего полупериода, однонаправленный ток протекает через сопротивление нагрузки во время полного цикла входного напряжения. Здесь мы рассмотрим два положительных полуцикла, которые выдает выход в одном направлении, а не в обратном направлении.
В этой схеме используется важное свойство кондера: заряжаться и разряжаться. Весь прикол состоит в том, что кондер с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осцилле, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.
Давайте же рассмотрим на практике, почему нам нужно ставить кондер большой емкости. На фото ниже у нас три кондера. Все разной емкости.
Мостовой выпрямитель: он состоит из четырех диодов, где только два диода в противоположных рычагах моста проводят одновременно, в то время как другие два диода остаются выключенными, как показано в схеме. Здесь ток является однонаправленным, а напряжение также однонаправленным. Он производит выход в два раза по сравнению с вторичным напряжением. Задача поворота переменного тока в постоянный ток называется выпрямлением, а электронная схема, которая выполняет задание, называется выпрямителем. Наиболее распространенным способом преобразования переменного тока в постоянный ток является использование одного или нескольких диодов, таких удобных электронных компонентов, которые пропускают ток в одном направлении, но не в другом.
Рассмотрим первый кондер. Замеряем его номинал с помощью нашего LC - метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.
Цепляем его к диодному мосту по схеме выше
Как из постоянного тока сделать переменный?
Хотя выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток, результирующий постоянный ток не является устойчивым напряжением. Существует три различных типа выпрямительных схем, которые вы можете построить: полуволновые, полноволновые и мостовые. Ниже описывается каждый из этих трех типов выпрямителей.
Простейший тип выпрямителя выполнен из одного диода. Полуволновые выпрямители достаточно просты для сборки, но не очень эффективны. В результате выходное напряжение равно нулю в половину времени. Это приводит к тому, что среднее напряжение на выходе составляет половину входного напряжения.
И снимаем показания с кондера осцилом.
А вот и осциллограмма с кондера.
Неееее... это осциллограмма не постоянного тока. Пульсации все равно остались.
Ну что ж, возьмем кондер емкостью побольше.
Этот резистор на самом деле не является частью схемы выпрямителя. Вместо этого он представляет собой сопротивление, налагаемое нагрузкой, которая в конечном итоге будет помещена на цепь при использовании источника питания. Полноволновый выпрямитель использует два диода, что позволяет ему передавать как положительную, так и отрицательную сторону входа переменного тока. Диоды подключены к трансформатору.
Обратите внимание, что полноволновый выпрямитель требует использования трансформатора с центральным нажатием. Мостовой выпрямитель преодолевает это ограничение, используя четыре диода вместо двух. Мостовой выпрямитель не требует трансформатора с центральным ответвлением.
Замеряем его емкость. Получается 0,226 микроФарад.
Цепляем к диодному мосту также, как и первый кондер снимаем показания с него.
Эти модифицированные инверторы создают прямоугольную волну, и они не используются для питания деликатных электронных устройств. Это первичное напряжение затем усиливается до более высокого напряжения в зависимости от количества витков в первичной и вторичной катушках.
Схема инвертора Использование транзисторов
Схема может быть разделена на три части: генератор, усилитель и трансформатор. Каждый транзистор создает инвертирующие квадратные волны. Формула для частоты квадратной волны, генерируемой нестабильным мультивибратором, равна. При использовании 24-вольтовой батареи можно заряжать до 85 Вт, но дизайн неэффективен.
А вот собственно и осциллограма.
Не... почти, но все равно не то.
Берем наш третий кондер. Его емкость 330 микроФарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.
Электроэнергия из воды
Чтобы спроектировать 100-ваттный инвертор, прочитайте. Цепи инвертора могут использовать тиристоры в качестве переключающих устройств или транзисторов. Обычно для приложений с низкой и средней мощностью используются силовые транзисторы. Причина использования силового транзистора заключается в том, что они имеют очень низкий выходной импеданс, что позволяет максимальному току протекать на выходе.
Последствия от поражения током
Одно из важных применений транзистора заключается в переключении. Для этого приложения транзистор смещен в области насыщения и отсечения. Когда транзистор смещен в области насыщения, как соединители эмиттера коллектора, так и коллекторные базовые соединения смещены вперед. Здесь напряжение излучателя коллектора минимально, а ток коллектора является максимальным.
Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.
А вот собственно и она
Ну вот. Совсем ведь другое дело!
Итак, сделаем небольшие выводы:
Чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие.
Другим важным аспектом этой схемы является генератор. Нестабильный мультивибратор производит выходной сигнал, который переключается между двумя состояниями и, следовательно, может использоваться как генератор. Частота колебаний определяется значениями конденсатора и резисторов.
Конструкция осциллятора: в качестве осциллятора можно использовать нестабильный мультивибратор. Здесь разработан нестабильный мультивибратор с таймером 555. Мы знаем, что частота колебаний для таймера 555 в нестабильном режиме определяется. Также рабочий цикл выходного сигнала определяется следующим образом. Для этого требуется использование высокомощных транзисторов, чтобы обеспечить поток максимального тока к нагрузке. Однако, поскольку этот ток больше, чем максимальный базовый ток транзистора, мы предпочитаем значение меньше максимального базового тока.
Чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. В этом случае лучше всего использовать трехвыводные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.
Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт, скажем для каких-нибудь безделушек? Сначала нужно подобрать транс, чтобы на выходе он выдавал... 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки транса мы будем получать действующее напряжение .
Затем резистор смещения определяется. Поскольку диоды используются для смещения, прямое падение напряжения на диодах должно быть равно прямым падениям напряжения на транзисторах. По этой причине электролитный конденсатор должен использоваться, чтобы пропускать через него только основную частоту. Поскольку требуется получить выход 220 В, предпочтительно использовать повышающий трансформатор.
Когда это устройство питается от батареи 12 В, таймер 555, подключенный в нестабильном режиме, генерирует прямоугольный сигнал частотой 50 Гц. Так как используется таймер 555, выход может незначительно меняться в зависимости от требуемого рабочего цикла 50%, т.е. получить точный 50% -ный сигнал рабочего цикла. Использование переключающих транзисторов может вызвать перекрестное искажение выходного сигнала. Однако это ограничение было в некоторой степени уменьшено за счет использования смещающих диодов. Использование транзисторов снижает эффективность схемы. . Вместо 555 таймера можно использовать любой нестабильный мультивибратор.
где
U Д - действующее напряжение
U max - максимальное напряжение
Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе транса должно быть 12/1,41=8,5 Вольт. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансе, мы должны убавлять или добавлять обмотки транса. Формула . Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из того, что мы собираемся питать и какое напряжение и сила тока должны проходить через диоды. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем кондер с большой емкостью. Кондер подбираем исходя из того, чтобы напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!
Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает энергию от одной цепи к другой магнитной связью без движущихся частей. Трансформатор состоит из двух или более связанных обмоток или одной обмотки с резьбой и, в большинстве случаев, магнитного сердечника для концентрации магнитного потока.
Переменный ток в одной обмотке создает изменяющийся во времени магнитный поток в сердечнике, который индуцирует напряжение в других обмотках. Трансформаторы используются для преобразования между высоким и низким напряжениями, изменения импеданса и обеспечения электрической изоляции между цепями.
Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у транса на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).
Ну и напоследок, чтобы лучше запоминалось;-)
Читаем в обязательном порядке этой статьи.
Обозначение тока и применение его в быту
Однако трансформаторы используются в качестве компонентов в системах, которые выполняют эти функции. Университет Денвера предлагает страницу под названием «Внутренние трансформаторы». Так, например, мы напишем. Кроме того, они находятся в фазе: когда ток является максимальным, напряжение также является максимальным.
Что такое импеданс и реактивность?
Первая анимация показывает напряжение и ток в резисторе как функцию времени. Вращающиеся линии в правой части анимации - очень простой случай фазовой диаграммы. Анимация и диаграмма фазора здесь просты, но они станут более полезными, если мы рассмотрим компоненты с разными фазами и с зависящими от частоты поведением. В общем, отношение напряжения к току зависит от частоты, и вообще существует разность фаз. Таким образом, полное сопротивление - это общее имя, которое мы даем соотношению напряжения к току.
Отключение электроэнергии в наших домах, увы, становится традицией. Неужели ребенку придется делать уроки при свече? Или как раз интересный фильм по телевизору, вот бы досмотреть. Все это поправимо, если у вас есть автомобильный аккумулятор. К нему можно собрать устройство, называемое преобразователем постоянного напряжения в переменное (ипи по западной терминологии DC-AC преобразователь).
Сопротивление - это особый случай импеданса. Другой особый случай - то, что напряжение и ток не соответствуют фазе на 90 °: это важный случай, поскольку, когда это происходит, в цепи не теряется мощность. Мы возвращаемся, чтобы суммировать эти термины и дать выражения для них ниже в разделе Импеданс компонентов, но сначала давайте посмотрим, почему существуют частотная зависимость и фазовые сдвиги для конденсаторов и индукторов. 
Теперь мы можем переписать приведенное выше уравнение, чтобы оно выглядело как закон Ома.
На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей. В схеме на рис.1 используются четыре мощных транзистора VT1...VT4, работающих в ключевом режиме. В одном полупериоде напряжения 50 Гц открыты транзисторы VT1 и VT4. Ток от аккумулятора GB1 протекает через транзистор VT1, первичную обмотку трансформатора T1 (слева направо по схеме) и транзистор VT4. Во втором полупериоде открыты транзисторы VT2 и VT3, ток от аккумулятора GB1 идет через транзистор VT3, первичную обмотку трансформатора TV1 (справа налево по схеме) и транзистор VT2. В результате ток в обмотке трансформатора TV1 получается переменным, и во вторичной обмотке напряжение повышается до 220 6. При использовании 12-вопьтового аккумулятора коэффициент К= 220/12=18,3.
Генератор импульсов с частотой 50 Гц можно построить на транзисторах, логических микросхемах и любой другой элементной базе На рис.1 показан генератор импульсов на интегральном таймере КР1006ВИ1 (микросхема DA1). С выхода DA1 импульсы частотой 50 Гц проходят через два инвертора на транзисторах VT7, VT8. От первого из них импульсы поступают через усилитель тока VT5 на пару VT2, VT3, со второго - через усилитель тока VT6 на пару VT1, VT4. Если в качестве VT1...VT4 использовать транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока ("супербета"), например, типа КТ827Б или мощные полевые транзисторы, например, КП912А, то усилители тока VT5, VT6 можно не ставить.
В схеме на рис.2 используются только два мощных транзистора VT1 и VT2, но зато первичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков и среднюю точку. Генератор импульсов в этой схеме тот же самый, базы транзисторов VT1 и VT2 подключаются к точкам А и Б схемы генератора импульсов на рис.1.
Время работы преобразователя определяется емкостью аккумулятора и мощностью нагрузки. Если допустить разряд аккумулятора на 80 % (такой разряд допускают свинцовые аккумуляторы), то выражение для времени работы преобразователя имеет вид:
Т(ч) = (0,7WU)/P, где W - емкость аккумулятора, Ач; U - номинальное напряжение аккумулятора, В; Р - мощность нагрузки, Вт. В этом выражении учтен также КПД преобразователя, составляющий 0,85...0,9.
Тогда, например, при использовании автомобильного аккумулятора емкостью 55 Ач с номинальным напряжением 12 В при нагрузке на лампочку накаливания мощностью 40 Вт время работы составит 10...12 ч, а при нагрузке на телевизионный приемник мощностью 150 Вт 2,5—3ч.
Приведем данные трансформатора Т1 для двух случаев: для максимальной нагрузки 40 Вт и для максимальной нагрузки 150 Вт.
В таблице: S - площадь сечения магнитопровода; W1, W2 - количество витков первичной и вторичной обмоток; D1, D2 - диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.
Можно использовать готовый силовой трансформатор, сетевую обмотку его не трогать, а домотать первичную обмотку. В этом случае после намотки нужно включить в сеть сетевую обмотку и убедиться, что напряжение на первичной обмотке равно 12 В.
Если использовать в качестве мощных транзисторов VT1...VT4 в схеме на рис.1 или VT1, VT2 в схеме на рис.2 КТ819А, то следует помнить следующее. Максимальный рабочий ток этих транзисторов 15 А, поэтому если рассчитывать на мощность преобразователя свыше 150 Вт, то необходимо ставить либо транзисторы с максимальным током свыше 15 А (например, КТ879А), либо включать параллельно по два транзистора. При максимальном рабочем токе 15 А мощность рассеяния на каждом транзисторе составит примерно 5 Вт, тогда как без радиатора максимальная рассеиваемая мощность - 3 Вт. Поэтому на этих транзисторах необходимо ставить небольшие радиаторы в виде металлической пластины площадью 15-20 см.
Выходное напряжение преобразователя имеет форму разнополярных импульсов амплитудой 220 В. Такое напряжение вполне подходит для питания различной радиоаппаратуры, не говоря уже об электрических лампочках. Однако однофазные электромоторы с напряжением такой формы работают плохо. Поэтому включать в такой преобразователь пылесос или магнитофон не стоит. Выход из положения можно найти, намотав на трансформаторе Т1 дополнительную обмотку и нагрузив ее на конденсатор Ср (на рис.2 показан пунктиром). Этот конденсатор выбран такой величины, чтобы образовался контур, настроенный на частоту 50 Гц. При мощности преобразователя 150 Вт емкость такого конденсатора можно вычислить по формуле С = 0,25 / U2, где U -напряжение, образующееся на дополнительной обмотке, например, при U = 100 В, С = 25 мкФ. При этом конденсатор должен работать на переменном напряжении (можно использовать металлобумажные конденсаторы К42У или подобные) и иметь рабочее напряжение не меньше 2U. Такой контур забирает на себя часть мощности преобразователя. Эта часть мощности зависит от добротности конденсатора. Так, для металлобумажных конденсаторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,02...0,05, поэтому КПД преобразователя снижается примерно на 2...5%.
Во избежание выхода из строя аккумуляторной батареи преобразователь не мешает оборудовать сигнализатором разряда. Простая схема такого сигнализатора показана на рис.3. Транзистор VT1 является пороговым элементом. Пока напряжение аккумуляторной батареи в норме транзистор VT1 открыт и напряжение на его коллекторе ниже порогового напряжения микросхемы DD1.1, поэтому генератор сигнала звуковой частоты на этой микросхеме не работает. Когда напряжение батареи опускается до критического значения, транзистор VT1 запирается (точка запирания устанавливается переменным резистором R2), начинает работать генератор на микросхеме DD1 и акустический элемент НА1 начинает "пищать". Вместо пьезоэлемента можно применить динамический громкоговоритель малой мощности.
После использования преобразователя аккумулятор необходимо зарядить. Для зарядного устройства можно использовать тот же трансформатор Т1, но количества витков в первичной обмотке недостаточно, так как она рассчитана на 12 В, а нужно, по крайней мере, 17 В. Поэтому при изготовлении трансформатора следует предусмотреть дополнительную обмотку для зарядного устройства. Естественно, при зарядке аккумулятора схему преобразователя необходимо отключить.
В. Д. Панченко, г.Киев