Как преобразовать напряжение в ток
Перейти к содержимому

Как преобразовать напряжение в ток

  • автор:

Как напряжение преобразуется в ток

Как напряжение преобразуется в ток

Если в процессе преобразования электрической энергии напряжение понижается, то ток при этом повышается, а если напряжение повышается — значит понижается ток. Количество энергии на входе и на выходе будет приблизительно одинаковым (минус, конечно, потери в процессе преобразования) в соответствии с законом сохранения энергии.Так происходит потому, что электрическая энергия A — это изначально потенциальная энергия (энергия положения в электрическом поле) электрического заряда, то есть A = U*q. А ток I — есть ни что иное, как перемещение заряда q в электрическом поле с течением времени t, то есть I = q/t.

Чтобы осуществить такое преобразование электрической энергии, применяют явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в конце лета 1831 года, и используемое сегодня в трансформаторах и в импульсных преобразователях напряжения для понижения или повышения напряжения (соответственно для повышения или понижения тока). Далее рассмотрим процесс такого преобразования в общих чертах.

image

Когда в проводящем витке, обладающем индуктивностью L, изменяется (попеременно нарастает и спадает) ток I — при этом изменяется и магнитное поле B, порождаемое данным током и пронизывающее ограниченную данным витком площадь S — происходит изменение магнитного потока Ф = B*S = L*I.

Насколько быстро изменяется ток I в витке — настолько же быстро изменяется и магнитный поток Ф, пронизывающий площадь S, ограниченную данным витком. Переменный ток I в витке прямо пропорционально связан с напряжением U, приложенным к концам витка. Таким образом, чем больше амплитуда U – тем больше амплитуда тока I в витке и, тем больше амплитуда магнитного потока Ф витка с током.

image

Майкл Фарадей показал, что изменяющийся во времени магнитный поток способен навести ЭДС (напряжение) в контуре, охватывающем область этого изменяющегося магнитного потока, причем скорость изменения магнитного потока dФ/dt влияет на величину получаемой ЭДС: чем выше скорость изменения магнитного потока — тем больше получаемое на концах контура напряжение.

image

Следовательно, если поместить в область действия изменяющегося магнитного потока другой виток (вторичный), то в нем будет наведена ЭДС (напряжение на концах), пропорциональная скорости изменения магнитного потока — чем больше магнитный поток и чем быстрее он изменяется — тем большей получится индуцируемая во вторичном витке ЭДС. Если вторичных витков будет несколько (N) и они будут соединены последовательно, то индуцируемые ЭДС в них сложатся.

А если вторичную цепь замкнуть, то перемещаемый по ней заряд (ток) создаст собственный магнитный поток, противоположный первичному магнитному потоку по направлению и равный ему по величине.

Если витки вторичной цепи полностью аналогичны первичному витку по магнитным свойствам, форме и индуктивности, то в этом случае ток, вызванный индуцируемой ЭДС, разделится по всем вторичным виткам поровну. Следовательно, чем больше последовательно соединенных витков — тем больше на выходе получается напряжение и тем меньше на выходе окажется ток при замкнутой на нагрузку цепи.

image

На этом принципе работает трансформатор, повышающий или понижающий переменное напряжение и, соответственно, понижающий или повышающий переменный ток. Если первичных витков больше, а вторичных меньше — то на один виток вторичной катушки придется больше тока, но напряжение на концах вторичной катушки будет в сумме меньше (пропорционально соотношению витков в обмотках), то есть ток на выходе по сравнению со входом увеличится, а напряжение понизится.

Измерительный преобразователь напряжение-ток ±10 В – ±100 мА

Схема преобразователя

Преобразователь может использоваться для передачи аналогового сигнала через длинную линию. Использование постоянного тока в качестве величины показывающей аналоговое значение позволяет избежать влияния помех на длинную линию и в тоже время использовать для передачи кабель всего из двух проводов. На передающей стороне устанавливается преобразователь измеряемого параметра в напряжение, которое подключается к входу преобразователя напряжение-ток. Далее ток через длинную линию может подаваться на вход обратного преобразователя ток-напряжение или сразу на показывающий прибор – амперметр. В качестве простейшего преобразователя ток-напряжение можно использовать прецизионный резистор. Амперметр может иметь шкалу с нанесёнными на ней значениями контролируемого параметра, например давления, температуры, скорости, частоты вращения, фазы, специфических параметров системы и т. п. Также применяется преобразователь напряжение в ток для плавного управления электромагнитными регуляторами на основе соленоидов. Преобразователь можно использовать для построения универсального прибора зарядки аккумуляторов. Напряжение питания 18…36 В
Входное напряжение ±10 В
Выходной ток ± 100 мА
Сопротивление нагрузки 0,1…120 Ом
Температурный диапазон -50…+90 °С
Точность преобразования 0,5 % Устройство питается от источника постоянного напряжения 24 В. Конденсатор С1 уменьшает шумы устройства на линию питания. Благодаря импульсному преобразователю напряжения DA1 к питанию не предъявляется требований по пульсациям и стабильности напряжения. Коэффициент преобразования схемы определяется резисторами, связанными соотношениями: Iout=(Vin*R1)/(R2+R8-R5), R1=(R6/2)+R5, R6=R7, R2+R8=R4+R9. Операционный усилитель DA2, использованный в устройстве, относится к прецизионным. DA2 должен обладать возможно меньшим напряжением смещением нуля для обеспечения точности преобразования напряжения в ток. Применение на выходе схемы мощных транзисторов позволяет увеличить надёжность устройства. Конденсатор С4 необходим для подавления наводок на вход устройства, С5 нужен для предотвращения возбуждения схемы.

Позиционное
обозначение
Наименование
Конденсаторы 50 Вольт, Hitano
C1. C3 0,47 мкФ-К-1Н-Н5
C4 82 пФ-J-1H-H5
C5 0,47 мкФ-К-1Н-Н5
DA1 Преобразователь TEN15-2423 TRACO POWER
DA2 Микросхема OP2177 AR
FU1 Предохранитель самовосстанавливающийся MF-R030
R1, R2 Резистор C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R3 Резистор C2-23-0,25-33 Ом ± 5 %
R4 Резистор C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R5 Резистор 1 Ом ± 0.01 % ASTRO
R6, R7 Резистор C2-29B-0,125-200 Ом ± 0.05 %
R8, R9 Резистор C2-29B-0,125-10 кОм ± 0.05 %
VT1 Транзистор 2T819A
VT2 Транзистор 2T818A
XP1 Соединитель DIN41612-396 MRD

Устройство собрано на односторонней печатной плате. Конструктивно устройство представляет собой плату 100 x 125 мм для установки в направляющие планки. На плате предусмотрены отверстия для крепления радиаторов и торцевой планки. При изготовлении печатной платы с металлизацией отверстий все элементы устанавливаются на одной стороне. Если без металлизации, то DA1 устанавливается на второй стороне и меняются проводники, подводимые к DA1. Транзисторы устанавливаются на радиаторы. Резистор R5 производства фирмы MEGATRON Elektronik AG&Co марки ASTRO 2000 axial. Если не требуется высокая точность преобразования напряжение-ток резисторы можно использовать менее точные, они вносят основной вклад в стоимость устройства. Также при снижении требований к точности операционный усилитель можно применить OP213 или другой, при этом печатную плату нужно переделать. Печатная платаИсточник питания можно заменить на любой обеспечивающий пульсации не более 50 мВ. Конденсаторы можно заменить на керамические или многослойные отечественного или зарубежного производства на максимальное напряжение не менее 50 Вольт. Соответствие разъёмов: DIN41612-396 MRD вилка на плату, DIN41612-396FSW розетка. Одним из важных параметров любого источника тока, а в нашем случае преобразователя напряжение-ток, является диапазон сопротивления нагрузки. Идеальный прибор обеспечивает ток, заданный внешней установкой, в диапазоне сопротивления нагрузки от 0 до бесконечности. В реальности это невозможно, также не следует забывать, что к сопротивлению нагрузки прибавляется сопротивление контактов разъёмов, проводов и других элементов цепей. Свойство источника тока обеспечить работу независимо от сопротивления нагрузки является весьма ценным, т. к. существенно повышает надёжность системы в целом. Платой за это является мощность, выделяемая на выходных транзисторах. В каждом конкретном случае требуется выбрать наиболее удачный компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на выходном транзисторе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки нужно использовать источник питания с возможно большим напряжением. При токе в 100 мА: на нагрузке в 20 Ом напряжение составит 2В, на регулирующем транзисторе падение напряжение примерно 0,6 В, на резисторе R5 падение 0,1 В. При питании 15 В мощность около 12,3В*100мА+0,6В*100мA=1,29 Вт выделится на выходном транзисторе в виде тепла. При выборе радиатора следует не забывать о простом правиле: «Кашу маслом не испортишь». Уменьшение максимально возможного сопротивления нагрузки позволит уменьшить напряжение питания, что снизит нагрев устройства, снизит размеры радиатора и увеличит КПД. Устройство не боится короткого замыкания в течении длительного времени, при этом выходной ток не меняется. По приведённым выше формулам можно пересчитать схему для других токов и напряжений.
Устройство в настойке не нуждается. Для проверки к входу схемы подключается лабораторный блок питания и вольтметр с пределом измерения 10-12 В, к выходу нагрузка около 20 Ом и миллиамперметр с пределом измерения 100-150 мА. Измерительные приборы должны обеспечивать точность в 10 раз выше выбранной точности преобразователя. Осциллографом проверить отсутствие возбуждения. Проверить весь диапазон от нуля до максимума, регулируя входное напряжение. Расположение элементовИсточники информации: http://www.tracopower.com/datasheet_g/ten15-d.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/OP1177_2177_4177.pdf
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/OP77.pdf
http://www.oao-zavod-tira.narod.ru/C2_29.html
http://www.megares.de/datenblatt/Astro2000neu.pdf
http://kremny-m.ru/catalog/1.shtml

  • U_I.rar (1228 Кб)

Теги:

Денисов П.К. Опубликована: 2012 г. 0 0

Вознаградить Я собрал 0 0

Преобразование напряжения сигнала в ток

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения, поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:

Преобразователь напряжения в ток на операционном усилителе

Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с Rнагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление Rнагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через Rнагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1–5 В на входе / 4–20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.

Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.

Резюме

  • В промышленности токовые сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения как аналоговые представления физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой схемы независимо от сопротивления проводов, тогда как напряжение в аналогичной схеме может изменяться от одного конца к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными для передачи сигнала от «передающего» прибора до «принимающего» прибора.
  • Сигналы напряжения относительно легко получить непосредственно на устройствах преобразователей, тогда как точные токовые сигналы нет. Для «преобразования» сигнала напряжения в токовый сигнал можно довольно просто использовать операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель буде выводить любое напряжение, необходимое для поддержания тока через сигнальную цепь в правильном значении.

Как работает инвертор постоянного напряжения? Виды, мощность, схемы

В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напряжения, назначение и принцип работы оборудования. Также здесь объясняется, какие бывают устройства, даются рекомендации по их выбору, указываются ключевые характеристики.

Принцип работы преобразователей напряжения

Инверторы постоянного напряжения представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

  • трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
  • тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
  • блок управления вентильной группой;
  • емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

  • входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
  • диодный мост;
  • ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
  • ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
  • диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
  • блок управления;
  • выходной LC-фильтр.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор постоянного напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

  • частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
  • номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
  • максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
  • значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

  1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
  2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
  3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60. 0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора постоянного напряжения.

Заключение

В статье были рассмотрены основные разновидности преобразователей напряжения, особенности их работы и сферы применения. Также были приведены типовые электросхемы преобразователей напряжения и описаны критерии выбора DC/AC инверторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *