Термины: AC, DC
АС, DC – это устоявшиеся термины, буквально означающие: переменный ток, постоянный ток (англ.: alternating current, direct current). Термин применяют как для обозначения характера тока, так и для обозначения режима работы устройства, соответственно, поддерживающего режим работы по переменному и постоянному току.
Иногда с аббревиатурой DC связывают постоянную составляющую сигнала, а с AC – переменную.
Обозначения DC+AC, AC+DC или AC/DC в технической литературе – это совсем не название известной рок-группы :), а обозначение, буквально означающее: постоянный и переменный ток.
Заметим, что термин переменный ток традиционно относят не к величине тока, а к направлению тока. Например, пульсирующий ток одного направления обычно называют постоянным током (DC), а не переменным (АС), поскольку этот ток не меняет направления. Хотя, если в этом примере рассматривать по отдельности составляющие тока, то, безусловно, он состоит из постоянной (DC) и переменной (AC) составляющих.
По аналогии эти термины применяют и к напряжению переменного тока и напряжению постоянного тока, поскольку, как известно из ТОЭ, напряжения без тока не существует.
В условных графических обозначениях символами постоянного и переменного тока являются значки – , ~ , которые означают то же cамое, что и DC, AC.
Если оцифрованную DC-составляющую сигнала вычисляют простым усреднением за выбранный промежуток времени, то AC — составляющую вычисляют как среднеквадратическое значение сигнала (RMS) за вычетом DC-составляющей за выбранный промежуток времени.
| Перейти к другим терминам | Cтатья создана: | 13.01.2015 |
| О разделе «Терминология» | Последняя редакция: | 23.07.2019 |
Применение терминов
Эти общеизвестные термины широко применяются в эксплуатационной документации при описании технических характеристик систем сбора данных, например, следующих семейств, производимых OOO “Л Кард”:
Схема и принцип работы простого импульсного DC-DC преобразователя с фиксированным коэффициентом понижения напряжения
Понижающий преобразователь постоянного напряжения (DC-DC преобразователь) — это электронное устройство, которое преобразует одно постоянное напряжение в другое постоянное напряжение с меньшим значением. Он применяется для обеспечения стабильного и регулируемого питания для электронных устройств, работающих от разных напряжений.
DC-DC преобразователи могут быть реализованы различными способами, включая понижающие, повышающие и инвертирующие преобразователи.
Понижающий преобразователь напряжения является одним из наиболее распространенных типов, который применяется в различных устройствах, таких как мобильные устройства, электронные системы автомобилей, компьютерные системы и многие другие (смотрите — Преобразователи напряжения постоянного тока).
Как устроены самые простые DC-DC преобразователи?
Самые простые DC-DC преобразователи называются шаговыми преобразователями или DC-DC конвертерами с фиксированным коэффициентом понижения напряжения (шаговые преобразователи, buck converter).
Они состоят из индуктивности, диода, конденсатора и ключа, который переключает цепь индуктивности. Эти компоненты соединены в особую схему, которая позволяет преобразовывать постоянное напряжение на входе в меньшее постоянное напряжение на выходе.
В основе работы простого DC-DC преобразователя лежит принцип переноса энергии с использованием индуктивности.
Ключ переключает цепь индуктивности таким образом, что индуктивность заряжается током от источника питания через диод, а затем выключается, и ток через индуктивность переключается на конденсатор и нагрузку.
Ключ включается и выключается периодически, создавая периодическое изменение напряжения на индуктивности. Это приводит к появлению на выходе переменного напряжения, которое сглаживается конденсатором и приводится к стабильному постоянному напряжению, подходящему для питания электронной нагрузки.
Такие преобразователи не подходят для работы с большими токами и высокими частотами переключения. Однако, для некоторых простых приложений, например, для питания маломощных электронных устройств, они могут быть весьма эффективны.
Схема простого импульсного DC-DC преобразователя с фиксированным коэффициентом понижения напряжения
На схеме простых DC-DC преобразователей обычно присутствуют следующие элементы:
- источник постоянного напряжения (например, батарея);
- ключ (обычно это транзистор или мосфет);
- индуктивность;
- диод;
- конденсатор;
- нагрузка.
Ключ и индуктивность обычно располагаются последовательно, таким образом, что когда ключ замкнут, индуктивность заряжается, а когда ключ разомкнут, индуктивность выдает энергию в нагрузку.
Диод и конденсатор обычно располагаются параллельно нагрузке и служат для сглаживания выходного напряжения.
В зависимости от конкретной схемы, могут присутствовать дополнительные элементы, такие как резисторы, датчики тока или напряжения и т.д.
Как работают такие преобразователи?
DC-DC преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения напряжения работают по принципу использования индуктивности для хранения энергии в магнитном поле.
Эти преобразователи имеют фиксированный коэффициент преобразования, который определяется соотношением между входным и выходным напряжениями и временем, в течение которого индуктивность заряжается и разряжается.
В простейшем преобразователе, показанном на схеме выше, в момент когда ключ замыкается, индуктивность заряжается, создавая магнитное поле, которое сохраняет энергию.
Когда ключ размыкается, магнитное поле индуктивности вызывает появление обратного ЭДС, которая заряжает выходной конденсатор. При этом входное напряжение уменьшается на напряжении на диоде.
DC-DC преобразователи с фиксированным коэффициентом повышения напряжения работают аналогично, но элементы располагаются в другом порядке, и вместо диода используется коммутационный транзистор.
Коэффициент преобразования DC-DC преобразователей с фиксированным коэффициентом определяется соотношением между временем зарядки и разрядки индуктивности и входным (выходным) напряжением.
Как используется индуктивность, подключенная последовательно с нагрузкой, для снижения напряжения постоянного тока на нагрузке?
Когда диод закрыт, индуктивность заряжается от входного напряжения и энергия сохраняется в магнитном поле индуктивности. Когда диод открыт, энергия магнитного поля индуктивности передается через диод к нагрузке. При этом индуктивность становится разряженной, а нагрузка получает энергию от индуктивности, что приводит к снижению напряжения на нагрузке.
Таким образом, индуктивность в понижающем преобразователе постоянного напряжения служит для сохранения энергии и переноса ее на нагрузку во время открытия диода, что приводит к снижению напряжения на нагрузке. Это позволяет использовать более высокое входное напряжение для преобразования его в более низкое выходное напряжение на нагрузке.
Как изменится выходное напряжение на нагрузке, если изменить входное напряжение или сопротивление нагрузки?
Выходное напряжение на нагрузке в этой схеме зависит от входного напряжения, сопротивления нагрузки и параметров компонентов. Если входное напряжение изменится, то выходное напряжение также изменится пропорционально соотношению входного и выходного напряжений.
Например, если входное напряжение увеличится вдвое, а сопротивление нагрузки останется неизменным, то выходное напряжение уменьшится вдвое. Если изменится сопротивление нагрузки, то выходное напряжение также изменится в соответствии с законом Ома.
Если сопротивление нагрузки увеличится, то выходное напряжение уменьшится, а если сопротивление нагрузки уменьшится, то выходное напряжение увеличится.
Для оптимальной работы схемы важно выбирать компоненты с определенными параметрами, которые будут обеспечивать необходимую стабильность и надежность работы при изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки.
Кроме того, важно учитывать потери энергии в компонентах, таких как диод и индуктивность, которые могут привести к дополнительным пульсациям выходного напряжения на нагрузке.
Как управлять выходным напряжением такого DC-DC преобразователя?
Для управления выходным напряжением DC-DC преобразователя с фиксированным коэффициентом понижения напряжения используются различные методы.
Один из наиболее распространенных методов — это изменение скважности ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на входе преобразователя.
Суть метода заключается в том, что управляющий сигнал ШИМ изменяет скважность импульсов на входе преобразователя, что в свою очередь приводит к изменению соотношения времени наличия высокого и низкого уровней на выходе преобразователя. Это позволяет контролировать выходное напряжение.
Для изменения скважности ШИМ могут применяться различные методы, например, изменение ширины импульсов на входе преобразователя с помощью аналоговых или цифровых управляющих сигналов.
В некоторых преобразователях также используются методы управления с помощью обратной связи, при которых сигнал на выходе преобразователя сравнивается с эталонным значением, и соответствующий управляющий сигнал формируется на основе разности между ними.
Кроме того, некоторые DC-DC преобразователи могут иметь возможность управления выходным напряжением с помощью изменения других параметров, например, частоты переключения ключей, входного напряжения и т.д.
Какие преимущества и недостатки есть у преобразователей с фиксированным коэффициентом понижения напряжения?
- Простота и компактность: эти преобразователи обычно имеют меньшее количество компонентов и меньший размер по сравнению с другими типами преобразователей.
- Высокая эффективность: благодаря простоте схемы и отсутствию необходимости в сложных управляющих схемах, преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения/повышения напряжения могут иметь высокий КПД.
- Надежность: такие преобразователи обычно имеют меньшее количество компонентов, что уменьшает вероятность отказов и повышает надежность.
- Ограниченный диапазон понижения напряжения: такие преобразователи могут иметь ограниченный диапазон изменения напряжения, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.
- Необходимость подбора компонентов: чтобы достичь необходимых характеристик, таких как выходное напряжение и ток, необходимо правильно подобрать компоненты для схемы.
- Низкий коэффициент мощности: из-за наличия индуктивности в схеме, преобразователи с фиксированным коэффициентом понижения напряжения могут иметь низкий коэффициент мощности, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
DC-DC преобразование — это функция контроллера
Лучший преобразователь DC-DC — это аппаратный преобразователь. Закладывая в проект DC-DC преобразователь в виде отдельной микросхемы, вы, вероятнее всего, получите лучший КПД и большую частоту преобразования. Последнее положительно скажется на стоимости внешних пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, что снизит общую стоимость решения. Кроме того, площадь, занимаемая этими компонентами на плате, также будет меньше с ростом частоты преобразования. В интегральные микросхемы DC-DC преобразования, как правило, входит несколько видов защит – ещё один аргумент в их пользу.
Тем не менее, в некоторых областях может быть выгоднее использовать контроллер с внешним ключом. Это могут быть ультра дешёвые приложения, либо приложения, где требуется специфика управления мощностью выдаваемого питания. Плюсом такого решения можно также считать большое количество взаимозаменяемых стандартных транзисторов всевозможных производителей.
Инженеры компании «Промэлектроника» создали проект повышающего DC-DC преобразователя на базе контроллера STM32F051R8T6. Электрическая схема проекта приведена ниже.
Рис. 1. Электрическая схема проекта повышающего DC-DC преобразователя на базе микроконтроллера
В будущем мы попытаемся запитать получаемым напряжением +4В GSM модуль M95 фирмы Quectel. Питание GSM модулей имеет свою специфику: в определенные моменты времени модуль потребляет до двух ампер. Импульсы тока имеют длительность меньше миллисекунды. Однако схема регулирования питания должна выдавать требуемую энергию без значительного снижения напряжения.
Принцип работы схемы.
Замыкая ключ на базе транзистора VT3, мы накапливаем энергию на катушке L1, которая рассчитывается по формуле:
E = L* I 2 / 2
где:
L – индуктивность катушка;
I – ток.
Если принять разумное допущение, что ток в катушке растёт линейно со временем, то энергия будет рассчитываться по формуле:
E = U 2 * T 2 / (2L)
где:
U – питающее напряжение;
T – время накопления энергии;
L – индуктивность катушки.
Таким образом, управляя временем замыкания ключа VT3, мы влияем на величину энергии катушки. Это базовый принцип любого импульсного преобразователя, построенного на катушке. Работа тока катушки через открытый диод VD2 преобразуется в энергию заряда конденсатора C2. Через делитель, образованный резисторами R6 и R7, контроллер получает обратную связь о выходном напряжении источника и корректирует время заряда катушки индуктивности.
Для управления ключом VT3 было принято решение использовать пару транзисторов VT1 и VT2. Вообще, не исключено, что можно отказаться от их использования и «рулить» транзистором VT3 с вывода контроллера. Однако в этом случае будьте готовы к затяжным фронтам включения и выключения VT3, что однозначно снизит точность управления. При этом вы сэкономите всего 2 рубля. Так что однозначно ставить. Мы в проекте использовали цифровые транзисторы фирмы Galaxy. Цифровой транзистор – это обычный транзистор с встроенными резисторами: один держит транзистор в выключенном состоянии, когда контроллера нет на связи, другой – задаёт ток управления базой. В нашем случае совокупность компонент R1-R2-VT1 и R3-R4-VT2 – это и есть цифровые транзисторы, упакованные в корпус SOT-23. Ничего не поделаешь, инженеры «Промэлектроники» люди ленивые и лишнюю пайку на макете сделать их не заставишь.
Сигналы управления на цифровые транзисторы приходят непосредственно с контроллера. Важно, чтобы не было состояния, при котором оказываются открытыми верхний и нижний транзистор. Иначе – получим короткое замыкание. Благо контроллеры STM32 любого семейства могут это аппаратно исключить.
Пару слов о работе программы контроллера. Всю программу разбить на 2 части: настройка периферии и прерывание с вычислением скорректированного значения заполнения ШИМ Таймера. Первую часть рассматривать подробно не будем, отметим только, что кроме Таймера1 и АЦП задействован DMA. При переполнении Таймер1 запускает АЦП, который по окончании преобразования запрашивает DMA на копирование результата измерения в массив. После 50-ти копирований DMA запрашивает прерывание, в котором происходит коррекция длительности ШИМ. Такая настройка периферии минимизирует участие ядра в управлении источником. Вся идеология управления энергией, закачиваемой в конденсатор показана на рисунке2.
Рис. 2. Идеология регулирования выходного напряжения источника питания
Для коррекции мощности программа использует два параметра: текущая ошибка регулирования и ожидаемая ошибка регулирования при сохранении текущей мощности в следующий момент коррекции. Задача сводится к введению параметра заполнения ШИМ таким образом, чтобы в следующий момент коррекции мощности ошибка регулирования была нулевой. Иными словами, кроме статической ошибки регулирования мы отслеживаем скорость регулирования.
Некоторые компоненты, применённые в проекте:
- STM32F051R8T6 (STMicroelectronics)
- STS5DNF20V (STMicroelectronics)
- BCR108 (Galaxy)
- BCR158 (Galaxy)
- SL1016-101K 100/2.5A (Yageo)
- Диоды Шоттки фирмы STMicroelectronics
- Конденсаторы фирмы Yageo
Некоторые параметры проекта:
- частота преобразования ШИМ – 20кГц (легко увеличить до 100кГц)
- минимальный дискрет мощности: 1/1200 (если максимальную мощность принять равной 1)
- загрузка ядра процессора не более 10% (можно легко снизить в разы, с соответствующим снижением точности регулирования)
Принцип работы источников питания DC-DC
В работе многих импульсных источников питания применяется явление самоиндукции. Допустим, через катушку индуктивности протекает постоянный ток. Если внезапно прервать протекание тока, то в магнитном поле, индуцированном вокруг катушки, возникает ЭДС самоиндукции, при этом полярность напряжения на ее клеммах меняется на противоположную.
Типовая схема импульсного источника питания DC-DC состоит из катушки индуктивности (дросселя), конденсатора, диода и ключевого транзистора, например биполярного, MOSFET или IGBT. Транзистор может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. В первом состоянии через него протекает ток, а во втором – нет.
Рассмотрим основные принципы работы источников питания (преобразователей напряжения DC-DC), понижающих или повышающих выходное напряжение относительно входного.
Принцип работы понижающего преобразователя DC-DC
Когда транзистор открыт, ток от входной сети протекает по цепи: ключевой транзистор VT1 – дроссель L1 — нагрузка. При этом происходит нарастание тока от минимального до максимального значения. Ток увеличивается не скачкообразно, а постепенно. Энергия от сети передается в нагрузку, а также накапливается в дросселе и конденсаторе C2. Происходит так называемая фаза накачки. В это время диод VD1 заперт.
Когда транзистор закрывается, полярность напряжения на дросселе меняется на противоположную и происходит передача накопленной энергии в нагрузку — наступает фаза разряда. Ток через закрытый транзистор не протекает, а течет по цепи: дроссель L1 — диод VD1 — нагрузка.
Величина выходного напряжения регулируется путем управления временем открытия и закрытия ключевого транзистора и осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды при постоянной частоте. Отношение времени импульса к общему времени цикла (импульс + пауза) называется коэффициентом заполнения. Чем больше коэффициент заполнения, тем больше величина энергии, передаваемая в нагрузку. Максимальное напряжение на выходе данной схемы может быть ниже, или равным входному, но не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное применяются повышающие преобразователи.
Принцип работы повышающего преобразователя DC-DC
Схема повышающего преобразователя содержит те же элементы, что и понижающего преобразователя, но соединение их отличается.
Когда ключевой транзистор открыт, ток проходит через дроссель и транзистор. Ток через дроссель L1 постепенно увеличивается, и дроссель накапливает энергию. Диод VD1 на этом этапе закрыт, чтобы не позволить разрядиться через транзистор VT1 выходному конденсатору C2, который питает нагрузку.
При понижении выходного напряжения до определенного уровня транзистор закрывается управляющим сигналом. Когда транзистор закрывается, полярность напряжения на дросселе меняется на противоположную и энергия, запасенная в дросселе, через диод подзаряжает выходной конденсатор, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции дросселя складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения. При достижении уровня заданного напряжения транзистор опять открывается, и цикл повторяется.