Радиолюбительский форум
- Форум Темы Сообщения Последнее сообщение
- Новости и объявления
Новости, объявления, встречи и радиовыезды 2 21328 фев 2024, 14:10
alex83
Для новичков на форуме
Для новых участников 2 25 май 2015, 02:16
alex83
Антенны
Антенны, их реализации и настройка 36 3045 июл 2023, 07:56
PauLita
Трансиверы
Самодельные и промышленные 9 9322 июн 2022, 15:45
R0UAQ
Радиостанции
СВ, VHF, UHF, LPD/PMR и др. 4 7Сегодня , 00:23
Denik
Усилители мощности ВЧ
Усилители мощности, ламповые и транзисторные, самодельные и промышленные 4 6218 май 2022, 23:12
ua1ndm
Радиоприёмники
Промышленные и самодельные, отечественные и зарубежные 8 736 мар 2023, 04:15
Пётр
Ремонт
Ремонт радиоаппаратуры и другой бытовой техники 4 5712 фев 2024, 01:23
alex83
Лаборатория
Исследования и тюнинг радиоаппаратуры, бытовой техники и измерительных приборов 11 6013 мар 2024, 19:58
EuSe
Разработки
Здесь можно сообщить о своем начинании или обсудить готовую конструкцию 4 3531 мар 2021, 22:26
alex83
Микроконтроллеры
Программирование микроконтроллеров 9 1221 ноя 2020, 23:42
alex83
Компьютеры и ПО
Компьютерные вопросы, использование компьютера радиолюбителями, радиолюбительское ПО и пр. 9 811 фев 2023, 23:07
ua1ndm
Источники питания
Преобразователи, аккумуляторы, солнечные батареи, бензогенераторы и пр. 7 2111 янв 2024, 08:38
use56
Аудиоаппаратура
Усилители, колонки, магнитофоны и пр. 4 9326 янв 2023, 22:20
alex83
Ламповая аппаратура
Ламповая аудио и радиоаппаратура, самодельная и промышленная 4 2030 июн 2021, 21:26
alex83
Военная радиоаппаратура
Аппаратура связи и другая военная радиоаппаратура 2 017 ноя 2018, 22:46
Валентин
Старое радио
Вопросы и отчеты по реставрации старых радиоприёмников, восстановление корпусов, шкал, шасси и пр. 8 6027 мар 2023, 22:36
alex83
Радио и интернет
Интернет вещание, радиолюбительские интернет-технологии и полезные сайты 5 5320 фев 2024, 00:20
alex83
ТВ и видео
Телевизоры, ТВ-приставки, видеозапись, приём эфирного телевидения 5 2014 июн 2023, 10:53
rn1neb
Начинающим радиолюбителям
Для начинающих радиолюбителей 80 1049 мар 2024, 12:55
anberg1
Радиотрёп
Разговоры на разные околорадиолюбительские темы 21 252113 мар 2024, 23:08
alex83Что из представленного не является конденсатором?
офигеть..прошёл второй тест. даже странно!совет ко всем сдающим..не думайте правильно..думайте как в теории. иначе не сдадите.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
О компонентах. Конденсаторы и резисторы
Любой усилитель мощности состоит из компонентов, объединенных тем или иным способом. Количество компонентов может исчисляться десятками, а то и сотнями единиц и от каждого компонента что то зависит — это как кирпички одного здания, от которых зависит и высота, и красота, и прочноcть всей конструкции. Об этих «кирпичиках» и пойдет речь в этой статье. «Имеет ли смысл гнаться за нулями после запятой в Кг?» В разумных пределах конечно имеет, поскольку звуковой тракт должен повторять задумку композитора и исполнителей максимально точно, не внося своих собственных «дополнений», не говоря уже о потрескиваниях и пошипываниях. Хотя многое зависит от использования аудитракта. Если строится система для шумового сопровождения, типа балабонящего радиоприемника и не особо вникать в качество прослушиваемых фонограмм, то Кг и в 1% мешать не будет, поскольку подобные тракты эксплуатируются при выходных мощностях не более 3-5 Вт, а обычно гораздо меньше. Если же планируется целевое прослушивание, хотя бы время от времени, то к вносимым в тракт искажениям стоит подойти более серьезно и постараться обеспечить хотя бы один нолик после запятой на мощностях 2/3, в идеале 3/4 от максимальной. Дальнейшая гонка за нулями после запятой уже чревата серьезными экономическими вложениями и более тщательному подходу к схемотехнике усилителя, а так же однозначно предъявляет повышенные требования к используемым АС, поскольку каким хорошим не был тракт все может загубить именно АС. КОНДЕНСАТОРЫ Про устройство конденсатора, пожалуй, расказывать смысла не имеет — на эту тему достаточно много написанно, поэтому сразу перейдем к параметрам, но для начала вспомним обозначение:
К основным параметрам конденсатора является емкость , т.е. способность конденсатора накапливать электрический заряд. Далее идет плотность энергии , в основном применяется к электролитическим конденсаторам. Этот параметр важен при использовании конденсатора как накопителя энергии и последующей ее мгновенной отдачей, например накопительные конденсаторы фотовспышки. Номинальное напряжение — параметр описывающий при каком напряжении конденсатор може эксплуатироваться непрерывно, круглосуточно. Превышение этого параметра ведет пробою диэлектрика и выходу конденсатора из строя. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя. Кроме этого у электролитических конденсаторов существует полярность , поскольку конструктивно выполнены на основе химических элементов, при смене полярности которые разрушаются и приводят к закипанию электролита, пары которого приводятк взрыву конденсатора. Эквивалентная схема конденсатора приведена ниже и на ней видно, что у конденсатора есть еще «дополнительные» элементы: 
R1 — электрическое сопротивление изоляции конденсатора, отвечающий за ток утечки — чем выше сопротивление R1, тем меньше ток утечки.
R2 — эквивалентное последовательное сопротивление ( ЭПС (англ. ESR ), внутреннее сопротивление) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.
L1 — эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора.
С1 — собственно сама емоксть конденсатора. Так же у конденсаторов есть еще параметры, за которыми следует приглядывать, поскольку «забывчивость» на этот счет может привести к весьма не приятным эффектам. Особое внимание следует уделять при проектировании частото заивимых цепей температурному коэффициенту ёмкости (ТКЕ) . ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин). При использовании конденсаторов с высоким ТКЕ в эквалайзерах частотный диапаозн регулировко будет изменяться в зависимости от окружающей температуры, а так же от внутреней температуры. Например эквалайзер устноавлен сверху усилителя мощности. Зимой, впрохладной квартире в момент включения частотный диапазон будет смещен в область НЧ, но по мере прогрева диапазон будет перемещаться в область ВЧ. На слух такое измение возможно и будет не замечено, однако при использовании эквалайзера для редактирования музыкальных фонограмм возможны недоразумения. Диэлектрическая абсорбция — появление напряжения на обкладках конденсатора после быстрого разряда и снятия нагрузки. Эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т.п. Многие керамические материалы обладают пьезоэффектом — способностью генерировать разность потенциалов при механических деформациях. Диэлектрики некоторых керамических конденсаторов также могут обладать таким свойством. Обычно это проявляется в возникновении помех в электрических цепях вследствие шума или вибрации, поэтому этот эффект довольно часто называют «микрофонным». Конденсаторы технологически отличаются друг от друга использумемыми при их производстве материалами все параметры в разных конденсаторах будут проявляться по разному, а поскольку целью статьи является ознакомление с элементной базой, то наиболее интересными будут свойства конденсаторов, которые применяются в звукотехнике. НЕПОЛЯРНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ Неполярные конденсаторы в усилителях мощности используются веьсма интенсивно, причем используются не только для накопления энергии.
Основных сфер использования конденсаторов в усилителях несколько:
— фильтрация напряжения питания, где как раз и используется свойство конденсатора накапливать и отдавать энергию;
— отсекание постоянного напряжения в трактах усиления, в которых используется перезарядка конденсатора переменным напряжением;
— частотозависимые параметры, позволяющие изменять коф усиления каскада в зависимости от частоты проходящего сигнала. О последнем использования стоит поговорить более подробно. Дело в том, что кроме перечисленных выше параметров у конденсатора есть еще один — реактивное сопротивление. Этот параметр основан на скорости заряда-разряда конденсатора, которая определяет через какой промежуток времени конденсатор будет полностью заряжен или полностью заряжен. При подаче переменного напряжение скорость перезаряда будет определять на сколько процентов успел зарядится-разрядится конденсатор, а это зависит от емкости конденсатора и от подаваемой частоты. Для наглядности обратимся к схеме:
Здесь V1 является генератором прямоугольных импульсов с длительностью 1 мС (1000 Гц) и амплитудой 10 В. На левом выводе конденсатора С1 присутствуют эти самые импульсы: 
По мере заряда конденсатора C1 напряжение на резисторе R1 уменьшается, поскольку через конденсатор перестает протекать ток: 
Кроме этого, в момент окончания импульса (на 0,5 мС) конденсатор начинает разряжаться, поскольку напряжение на генераторе равно нулю, а R1 не имеет источника ЭДС. Это означает, что ток меняет свое направление на противоположное, т.е. на верхнем выводе R1 появляется отрицательное напряжение и оно присутствует до тех пор пока конденсатор не разрядится. Но разрядится полностью он не успевает — снова появляется импульс на генераторе (1 мС), ток через С1 снова меняет свое направление и на R1 появляется положительное напряжение. Однако его величина уже меньше, чем в момент поялвения первого импульса — сказывается остаточный заряд в конденсаторе. По мере заряда конденсатора напряжение на R1 начинает уменьшаться, но до нуля не успевает дойти — импульс снова исчезает ( 1,5 мС) и конденсатор начинает разряжаться, т.е. процесс начинает повторяться с спотепенным выравниванием положительного и отрицательного напряжений на R1 и буквально через 3-4 такта генератора напряжение на R1 будет полноценным переменным, т.е. положительное напряжение будет достигать 7,5 В и отрицательное напряжение будет достигать 7,5 В: 
Кроме того, что на R1 теперь приходит переменное напряжение его стало меньше — форма напряжение отличается от изначальной прямоугольной довольно сильно, следовательно С1имеет какое то сопротивление, но конденсатор по определению не может иметь сопротивления, поскольку между обкладками конденсатора находится изолятор. Именно поэтому этот эквивалент конденсатора называют реактивным сопротивлением.
Для уточнения правоты утверждения, что конденсатор выступает вроли сопротивление увеличим его емоксть в 10 раз, т.е. используем конденсатора на 470 нФ:
Из рисунка видно, что напряжение на R1 приобрело более прямоугольную форму, т.е. очевидно, что действующее напряжение, приложенное к R1 возросло, слдеовательно реактивное сопротивление С1 уменьшилось. Тепреь изменим генерируемую генератором частоту, чтобы убедится, чтореактивное сопротивление зависит и от емкости конденсатора и от частоты. После уменьшения частоты в 10 раз прилагаемое к R1 напряжение приобретает вид: 
Рисунок один в один повторяет тот, который был при емкости в 47 нФ и частоте 1 кГц, только теперь частота 100 Гц, а емкость 470 нФ. Это подтверждает, что реактивное сопротивление конденсатора зависит и от частоты и от емкости самого конденсатора.
Само сопротивление расчитывается по формуле:
где F — частота в Герцах, С — емкость в Фаррадах. Используя эту формулу можно достаточно просто определить на какой частоте что будет происходить в частотозависимых цепях, а так же определить необходимый номинал разделительных конденсаторов, но это вопросы схемотехники, здесь же знакомство с самими компонентами, поэтому вернемся к конеднсаторам. Поскольку у конденсатора кроме полезных параметров есть еще и вредные не трудно сделать вывод, что проходя через конденсатор переменное напряжение будет искажаться. Величины искажений каждого типа конденсаторов различны, отсюда и пошло определение «звуковые конденсаторы», вносящие миимальные искажения в сигнал и остальные, пригодные для шунтирования питания. Для проверки конденсаторов использовалась следующая схема: Со звуковой карты подавалось синусоидальное напряжение максимальной амплитуды (2В эфф.), резистор подбирался так, чтобы напряжение на конденсаторе было в пределах 2. 2,5 В амплитудного (т.е. примерно 1,5 вольта действующего) значения. Кроме напряжения на конденсаторе, измерялось и выходное напряжение звуковой карты, чтобы контролировать ее искажения. Из измерений видно, что искажения самой карты намного меньше, и не влияют на точность (искажения карты вычитались из результатов, вычитание было абсолютно правильным: корень квадратный из разности квадратов амплитуд соответствующей гармоники). В результате тестов было выяснено, что минимальные искажения вносят конденсаторы МБМ, а максимальные многослойная керамика КМ-5, остальные «кандидаты» расположились следующим образом:Место
Тип
«Обычный» Кг
Нормированный К’г
«Зеленый нонейм»
Импортный «К73»
Другими словами, если удасться собрать идеальный усилитель с Кг равным нулю, то используя в качестве разделительного конденсатора C1 конденсаторы МБМ на выходе получим Кг равным 0,0014%, а используя К10-17А — 0,8%: Примерно так же обстоят дела у электролитических конденсаторов — все «болячки» конденсаторов у них присутствуют, только для электролитов наиболее интересным является ERS, покольку электролитические конденсаторы больше применяются в цепях питания, т.е. используется их свойство накапливать и отдавать энергию. Обычно ESR указывается для определенной частоты/ емкости/рабочего напряжения, а также типоразмера корпуса конденсатора. Как правило, конденсаторы в высоких и узких корпусах имеют лучшие характеристики, чем низкие и широкие. Это связано с особенностями конструкции — в высоком и узком корпусе алюминиевая лента свернута в меньшее количество витков и имеет бОльшую ширину, а это- меньшая индуктивность и паразитное сопротивление конденсатора. Естественно, это замечание справедливо при сравнении конденсаторов одной серии одного производителя, низкокачественные поделки нонейм производителей форма корпуса не спасет. Ниже приведена таблица рейтинга электролитических конденсаторов, составленная на основании ислодований как поклоников аналоговой техники, так и цифровой, причем в рейтингах отсутствуют СУПЕРБРЕНДЫ, хотя их производители присутствуют. Позиция в левой колонке составлена звуковиками, которые отталкивались от надежности, а левую половину таблицы заполнили компьютерщики на основе раскопанных на конденсаторы даташитов:
ПРИМЕЧАНИЯ
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ
НЕ РЕКОМЕНДУЕМЫЕ
Разумеется, что при использовании конденсаторов с низким ERS к раположению проводников на печатной плате предъявляются более жесткие требования — не правильная разводка платы может, если и не перечеркнуть полностью, то существенно снизить эффективность этих кондесаторов:
Кроме упомянутых конденсатров существуют дополнительные серии «For Audio» — «СПЕЦИАЛЬНО ДЛЯ АУДИО» и имеющие сверхмалое ERS, повышенную плотность энергии и конечно же не копеечную стоимость. Использовать такие кондесаторы стоит в сверхвысококачественных усилителях, а если речь идет уже о таком качестве звукового тракта, то уже имеется и соответствующий опыт, следовательно расписывать все прелести «For Audio» не имеет смысла. При использовании электролитических конденсаторов в качестве разделительных рекомендуется последовательно-параллельное включение, которое позволяет избавится от проблем полярности электролитов и компенсирует возрастающий у них с частотой ERS: 
Сумарную емоксть получившегося конденсатора можно вычилить в два этапа:
сначала вычисляется емкость двух последовательно соединенных конденсаторов
, а затем к получившемуся результату прибавляется емскость С2, поскольку при параллельном соединении емкости конденсаторов суммируются. Напоследок осталось добавить, что механическая прочность выводов конденсатора гораздо меньше, чем это кажется, поэтому при монтаже на плату высоких конденсаторов лучше их дополнительно закрепить к плате при помощи клея или герметика, а расположенные близко друг к другу можно и «законтрить» между собой. Это особенно актуально при сборки автомобильной техники: 
РЕЗИСТОРЫ ПОСТОЯННЫЕ Прежде всего небольшая напоминалка об обозначениях резисторов: 
Как и любой другой элемент у резисторов есть такой параметр как собственный шум, который складывается из теплового и токового шума. Токовый шум обусловлен дискретной структурой резистивного элемента. При протекании тока возникают местные перегревы, в результате которых изменяются контакты между отдельными частицами токопроводящего слоя и, следовательно, флюктуирует (изменяется) величина сопротивления, что ведет к появлению между выводами резистора ЭДС токовых шумов. Токовый шум, также как и тепловой, имеет непрерывный спектр, но интенсивность его увеличивается в области низких частот, и величина значительно превышает величину теплового шума. Все эти эффекты зависят от плотности тока. Чем она больше, тем больше проявление этих неприятностей. Поэтому соединив 2 резистора параллельно (увеличив площадь сечения и уменьшив плотность тока) все эти эффекты уменьшаются. Тоже самое можно сделать взяв резистор большей габаритной мощности. У него сечение проводящего слоя больше и плотность тока в нем будет меньше. Соединив 2 резистора последовательно шумы суммируются, поэтому крайне не желательно использовать последовательное соединение резисторов в каскадах имеющих большой коф усиления. Суммарное сопротивление двух резисторов соединенных параллельно вычисляется по формуле: 
Этот шум зависит от многих факторов, в том числе и от конструкции конкретного резистора, включая резистивный материал и в особенности концевые соединения. Вот типичные значения избыточного шума различных типов резисторов, выраженные в микровольтах на вольт приложенного к резистору напряжения (приводится среднеквадратичное значение, измеренное на одной декаде частоты): Углеродно-композитные От 0,10 мкВ до 3,0 мкВ
Углеродно-пленочные От 0,05 мкВ до 0,3 мкВ
Металлопленочные От 0,02 мкВ до 0,2 мкВ
Проволочные От 0,01 мкВ до 0,2 мкВ Этот шум имеет спектр примерно 1 (постоянная мощность на декаду частоты) и иногда называется розовым шумом . Шум, возникающий по другим причинам, также часто имеет спектр 1 ; примерами таких шумов являются шум тока базы у транзисторов и шум катодного тока в электронных лампах. Любопытно, что величина 1 встречается в природе в самых неожиданных проявлениях, например, скорости океанических течений, поток песка в песочных часах, движение поездов в Японии, а также годовой сток Нила за последние 2000 лет. Если построить график громкости звучания какого-нибудь произведения классической музыки, то опять-таки получится спектр 1 ! Общий принцип, объясняющий происхождение шумов со спектром 1 , не найден, хотя он, казалось бы, носится в воздухе, но в каждом отдельном случае часто можно определить источник такого шума. В отношении шумов проволочные резисторы гораздо правильнее чем всяческие пленочные и композитные, но они имеют довольно большую паразитную индуктивность.
На тепловой шум сильное влияние оказывает температура и собственное сопротивление и хотя тепловой шум значительно меньше токового, про него тоже не стоит забывать. Бороться с шумами резисторов стоит, теоритически, во всех трактах усиления, однако чем больше амплитуда сигнала, тем меньше влияние шума резисторов, следовательно особое внимание шумам резисторов можно уделять лишь в первых каскадах усиления, когда сигнал имеет амплитуду до 100 мВ и эти каскады желательно продумывать более тщательно, оградить от лишних источников тепла и обеспечить охлаждение, например организовав вентиляционные отверстия. У резисторов есть так же дополнительный параметр, показывающий изменение сопротивления в зависимости от температуры — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризующий относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С. У непроволочных резисторов, применяемых в БРЭА, ТКС не превышает ±0,04—0,2 %, а у проволочных — ±0,003—0,2 %. Как правило в усилителях мощности, в последнем каскаде усилителя напряжения, в эмиттерах транзисторов используются резисторы на 0,5 Вт. Обычно именно последний каскад усилителя напряжения производит максимальное усиления сигнала. В случае, если усилитель симметричный, то необходимо подборка не только транзисторов этого каскада по коф усиления, но и выборка одинаковых резисторов в их эмиттерные цепи, именно выборка резисторов с одинаковым номиналом. Эта мера не позволит свести на нет подбор транзисторов, поскольку от номинала эмиттерного резистора в схеме с общим эмиттером зависит итоговый коф усиления каскада. Кроме слабо мощных резисторов в усилителях используются резисторы на 2 или на 5 Вт, устанавливаемые в эмиттерах оконечного каскада. Тип этих резисторов довольно часто смущает начинающих — в продаже изобилуют керамические низкоомные резисторы, но по форумам довольно часто упоминается, что они портят звук, поскольку внутри содержат спираль из высокоомного сплава, а это является индуктивностью.
Рекомендуемые для использования для этих целей резисторы довольно часто являются дифицитными, и порой реализаторы на них выставляют не обоснованную цену : 
Однако не совсем ясно на каком основании были сделаны выводы о том,что С5-5 или С5-16 не содержат индуктивности и наиболее ярким примером является механическое вскрытие: 
Наиболее приемлемым вариантом считается использование для этих целей резисторов МЛТ-2, однако шансы от избавления от индуктивности не сто процентны — на верхнем резисторе четко просматривается спираль из резистивного слоя: 
Поэтому при покупке МЛТ-2 следует обратить внимание на их внешний вид, и если окажется, что резистивный слой в виде спирали это совсем не повод впадать в панику — да, будет иметь место индуктивность, но ее величина слишком мала — у представленного на фото резистора на 100 Ом индуктивность составила 70 мкГн, а для резисторов сопротивлением 1, 0,68, 0,47, 0,33 и 0,22 Ома оно будет в десятки раз меньше. РЕЗИСТОРЫ ПЕРЕМЕННЫЕ Кроме постоянных резисторов в усилителях используются переменные — для регулировки громкости, баланса, при необходимости тембра. От качества этих резисторов зависят в основном дополнительные шумы, вносимые изменяющимся сопротивление контакта между резистивным слоем и движком. Конструктивно переменных резисторов на сегодня выпускается довольно много, кроме того еще попадаются резисторы старых образцов:
Кроме прочих параметров у переменных резисторов есть еще один — группа . Этот параметр показывает по какому закону изменяется сопротивление на движке резистора в зависимости от его положения, например для резисторов роторного типа это будет угол поворота. У отечественных резисторов различают 3 основные и две вспомогательные группы:
Группа А — линейная зависимость изменения сопротивления от положения движка, группа Б — логарифмическая зависимость, В — обратнологарифмическая. Самые популярные — «А» и «В». «А» используется для линейных регулировок, например в терморегуляторах, регуляторах оборотов двигателей. «В» — оптимальнейший вариант для регулировки громкости, поскольку человеческое ухо увеличение громкости воспринимает по логарифмическому закону. Вспомогательные группы И и Е обычно используются в паре на сдвоенных резисторах — один резистор группы «И», второй «Е», что делает такой резистор идеальным для регулировки баланса в стерео усилителях.
У импортных переменных резисторов 4 группы:
Тут сразу следует обратить внимание на то, что у импортных группа А имеет обратнологарифмическую зависимость, т.е. для регулировки громкости требуется как раз резисторы группы «А», а группа B имеет линейную зависимость. Группа W используется для регулировки баланса — обычно движок резистора соединяется с общим проводом, а резистивный слой выступает в роли аттенюатора, совместно с постоянными токоограничивающими резисторами. На некоторых подвидах переменных резисторов, предназначенных для регулировки громкости делаются отводы от середины резистивного слоя, гораздо реже делаются отводы с соотношением 1/ и 2/3. Данные резисторы удобны для реализации тонкомпенсированных регуляторов громкости. Тонкомпенсация позволяет выравнять иллюзию изменения АЧХ тракта при малых и больших громкостях — на малой грокости кажется, что НЧ и ВЧ составляющие сигнала уменьшаются, поэтому и вводится подъем НЧ и ВЧ в самом регуляторе. Один из вариантов схемы тонкомпенсированного регулятора громкости и изменения его АЧХ приведены ниже: 
Основных видов переменных резисторов две — роторные и движковые. И те, и другие имеют в своем составе множество подвидов, поэтому для краткости в таблице приведены только популярные:
Переменный резистор серии R12, бывают сдовоенные, бывают с выключателем. Ближайший сосед по конструктиву выполнен на текстолитовой основе. Широко используются в переносной аудиоаппаратуре. Бывают для вертикального и горизонтального монтажа. Надежность оставляет желать лучшего. 
Гармонические искажения в линии питания переменного тока
Регулируемые преобразователи частоты стали стандартным методом управления для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) благодаря точности управления и весьма существенной экономии энергии. Они годами использовались в промышленных установках для точного управления процессами.
Коммерческие системы HVAC часто существенно отличаются от производственных установок. В большинстве установок HVAC преобразователь частоты делит питание переменного тока с чувствительным электронным оборудованием, таким как компьютеры, телекоммуникационные сети, освещение и генераторов тактовых импульсов. Когда система HVAC применяется в аэропорту, больнице или в исследовательском центре, объем чувствительного оборудования значительно увеличивается. Возможной проблемой в таком окружении могут быть гармонические искажения в линии питания переменного тока, генерируемые регулируемым преобразователем частоты и другим электрическим оборудованием. В основном гармонические искажения не являются проблемой в промышленной обстановке.
Ниже рассматриваются гармонические искажения в линии питания переменного тока, один из аспектов электрического тока, обычно называемого «шумом». Будут обсуждены причины и вредные влияния такого шума, а также некоторые проблемы выбора преобразователя частоты, удовлетворяющего требования конкретного применения.
Причины искажений в линии питания
Большинство преобразователей частоты функционируют за счет использования мостового выпрямителя для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение (см. Рис. 1). После чего инвертор в преобразователе частоты преобразует постоянное напряжение в точное выходное напряжение и частоту для управления оборотами двигателя.
Рисунок 1. Общая блок-схема преобразователя частоты.
Сегодня преобразователи частоты используют диодный мостовой выпрямитель для преобразования напряжения питания переменного тока в фиксированное напряжение шины постоянного тока (см. Рисунок 2). После чего батарея конденсаторов шины постоянного тока используется для фильтрации переменной пульсации.
Рисунок 2. Диодный мостовой выпрямитель на ШИМ-преобразователе частоты.
Хотя в результате получается очень эффективный преобразователь частоты, он может вызвать искажения в линии питания переменного тока из-за способа, которым преобразователь частоты выпрямляет переменный ток. Ток не может течь из выпрямителя в шину постоянного тока до тех пор, пока входное напряжение выше, чем напряжение в шине постоянного тока. Как показано на Рисунке 3, это происходит только в короткий период времени в каждой фазе. Это вызывает поток несинусоидального тока, создаваемого во входном каскаде преобразователя частоты. Чтобы передать энергию, которая требуется двигателю, за столь короткий период времени, пиковый ток должен быть большим.
Рисунок 3. Вход с большим пиковым током.
Входной ток несинусоидальный. Он состоит из двух дискретных импульсов в каждый полупериод. Поскольку импульсы тока располагаются по центру периода напряжения, коэффициент сдвига мощности практически равен единице. В результате такая кривая тока имеет большой уровень гармонических искажений.
В большинстве современного электронного оборудования используется этот тип питания от мостового выпрямителя. Компьютеры, факсы, копировальные машины и электронные дроссели стартеров люминесцентных светильников используют импульсные источники питания, которые выдают ток в несинусоидальной форме. Поскольку данный ток не пропорционален подаваемому напряжению, такие нагрузки называются нелинейными.
Измерение искажений в линии питания
Степень искажения напряжения меняется вместе с импедансом системы распределения электрического питания здания и количеством и типом подключенных нелинейных нагрузок. Чтобы сравнить эти два уровня искажений, необходимо количественно описать это искажение. Для обеспечения данного описания используется гармонический анализ. Допустимый уровень искажения напряжения зависит от чувствительности установленного в здании оборудования.
В гармоническом анализе любая повторяемая форма кривой может быть описана математически как серия чистых синусоидальных кривых. Эти синусоидальные кривые состоят из основной частоты и кратных частот, называемых гармониками. Имеется два способа выражения результата этого математического анализа.
Наиболее детальный метод описывает амплитуду компонента каждой индивидуальной гармоники, как в абсолютных единицах (таких как вольты), так и в процентах от основного компонента. При этом возможно определить источник гармонических искажений. Например, в уравновешенной электрической системе единственными гармониками, которые могут быть сгенерированы симметричной трехфазной нагрузкой, являются некратные 2 или 3 (5, 7, 11 и подобные гармоники). Если в системе присутствует третья гармоника, она, вероятно, является результатом однофазных нагрузок или дисбаланса фаз. Детальный анализ помогает также в проектировании специальных фильтров для решения проблем гармонических искажений.
При менее детальном подходе часто используется суммарный коэффициент гармонических искажений THD(Total Harmonic Distortion). Выражаясь в процентном отношении, это простое число рассчитывается как квадратный корень суммы квадратов относительного значения каждой отдельной гармоники, как показано на Рисунке 4.
Рисунке 4. Пределы гармонических искажений
Поскольку гармонические искажения напряжения могут отрицательно влиять на работу других устройств в той же самой сети питания, были установлены разнообразные стандарты для определения серьезности гармонических искажений. Одним из них является стандарт IEEE 519 Американского института инженеров-электриков и инженеров-электронщиков. Этот стандарт определяет чувствительность электрического оборудования в здании как ограничивающий фактор того, какое гармоническое искажение допустимо. Таким образом, стандарт IEEE 519 определяет пределы для различных типов зданий. Как можно увидеть на таблица, наиболее строгие ограничения относятся к строениям, в которых, вероятно, установлено чувствительное оборудование.
Класс установки Суммарный коэффициент гармонических искажений THD (%) Чувствительные установки Таблица. Стандарты IEEE 519 для суммарного коэффициента гармонических искажений THD.
Отрицательное влияние искажений в линии электропитания
Рисунок 6. Ток на входе в базовый преобразователь частоты.
В трехфазных системах реальный ток в преобразователе частоты течет в двух импульсах, которые отстоят друг от друга на 60°. Для фазы 1 один импульс возникает, когда разность напряжений между фазами L1 и L2 максимальна. Второй импульс происходит, когда максимальна разница напряжений между фазами L1 и L3. Реальный ток, входящий в типовой преобразователь частоты или в иное подобное электронное оборудование, показан на Рисунке 6. Эти кратковременные импульсы тока большой амплитуды могут создать ряд проблем для остальных электрических систем здания.
Одна проблема относится к силовым трансформаторам, которые питают преобразователь частоты. Трансформаторы рассчитаны на работу с ровным синусоидальным током. Короткие импульсы тока, подобные показанным выше, вызывают дополнительный нагрев в трансформаторе. Если трансформатор не рассчитан на безопасное восприятие таких токов, он может перегреться и выйти из строя. Без защиты от гармонических искажений может потребоваться увеличение допустимой нагрузки трансформатора по току.
Второй проблемой является взаимное влияние с другим оборудованием. Напряженность магнитного поля, которое возникает вокруг провода, пропорциональная частоте импульсов тока в проводе. Эти быстро изменяющиеся импульсы тока передают более сильный сигнал шума, чем обычный синусоидальный ток. Это может привести к различимому гудению в другом оборудовании, нестабильному изображению на мониторах, ненадежной передаче данных или интерференции с работой чувствительного электронного оборудования.
Рисунок 7. Типовое искажение линейного (междуфазного) напряжения.
В-третьих, такие импульсы тока вызывают более широко распространяющуюся и потому более критичную проблему. Поскольку потребление тока происходит в импульсах, а напряжение равняется току, умноженному на импеданс системы, форма кривой напряжения, форма кривой напряжения не будет синусоидальной. Она будет подобной форме кривой, представленной на Рисунке 7. Это явление часто называется «фэт топпинг» (Fat topping).
Дистанционные системы управления освещением, системы синхронизации часов и другие системы, которые полагаются на систему распределения электропитания в здании для передачи информации, могут работать с перебоями из-за обрезания пиков напряжения несущего тока. Регуляторы напряжения на аварийных генераторах электропитания могут вызвать нестабильную работу генераторов, поскольку они пытаются компенсировать теряемые пики напряжения. Может также быть нарушена работа другого оборудования, надежное функционирование которого зависит от «чистого» источника питания. Поскольку для всего подключенного к данному контуру оборудования используется одно и то же напряжение, его влияние может распространяться довольно широко. Поэтому данное искажение напряжения является большой проблемой.
Управление гармоническими искажениями
Когда преобразователи частоты применяются в системах HVAC, важно ограничить гармонические искажения напряжения, которые могут вызывать преобразователи. Когда в установке HVAC используется промышленный преобразователь частоты, эта важная проблема слишком часто игнорируется. В результате это может отразиться на всей электрической системе здания.
Ключом к управлению гармоническими искажениями является ограничение импульсов токов. Обычно это выполняется с помощью индукционных катушек, которые могут также называться реакторами или дросселями, на входе в преобразователь частоты. Индуктивность катушки создает противоэлектродвижущую силу (ЭДС), или напряжение, когда импульс тока проходит через катушку. Это уменьшает частоту импульсов тока.
В испытаниях преобразователей частоты среднеквадратичное значение входного тока в преобразователь частоты без фильтра гармоник составляло 107% от значения основного тока для преобразователя частоты с фильтром гармоник. Эти испытания проводились с использованием линии питания с умеренно высоким импедансом. Если импеданс линии питания ниже, эта разница могла достигать 175%. Этот дополнительный ток мог потребовать увеличения размеров всех устройств, подающих ток на преобразователь частоты: проводов, коммутаторов и трансформаторов.
Рисунок 8. Распределение линейной нагрузки и нагрузки преобразователя частоты.
Отрицательное влияние на трансформатор для преобразователя частоты без фильтра гармоник представлено на Рисунке 8. Сплошная линия представляет выходную мощность трансформатора в кВА для подачи питания на преобразователь частоты. Большое содержание гармоник в токе, потребляемом преобразователем частоты, требует падения номинальной мощности трансформатора в кВА по мере нарастания нагрузки преобразователя частоты. Пунктирная линия показывает потребность преобразователя частоты в кВА. Поскольку суммарный коэффициент мощности преобразователя частоты относительно низкий, потребность мощности в кВА растет довольно быстро. Место пересечения этих двух линий представляет собой максимальную нагрузку преобразователя частоты, которую может обеспечивать питанием трансформатор. Как видно из рисунка, трансформатор может быть нагружен преобразователем частоты без фильтра гармоник только до 44% своей номинальной мощности. Это означает, что трансформатор должен быть почти в два раза больше.
Рисунок 9. Максимальная нагрузка на трансформатор со стороны преобразователя частоты, использующего реакторы постоянного тока.
Когда в преобразователе частоты в качестве фильтра гармоник используется реактор линии постоянного тока, трансформаторы могут нагружаться гораздо больше, чем это было можно раньше. На Рисунке 9 показано, как трансформатор может быть нагружен до 71% своей номинальной мощности. Ток с уменьшенными гармониками, потребляемый преобразователем частоты, заставляет номинал мощности трансформатора в кВА снижаться медленно по мере роста нагрузки преобразователя частоты. Поскольку суммарный коэффициент мощности преобразователя частоты относительно высокий, потребность мощности в кВА преобразователя частоты близка к мощности, подаваемой на преобразователь частоты. Это уменьшает суммарный коэффициент гармонических искажений THD до 42% и достигается без отрицательного влияния на характеристики преобразователя частоты или двигателя.
Рисунок 10. Ток на входе в преобразователь частоты, оснащенный ректорами линии постоянного тока.
Ток на входе в преобразователь частоты с фильтром в шине постоянного тока представлен на Рисунке 10. Более высокие импульсы входного тока на преобразователе частоты без входных катушек (с Рисунка 6) показаны серым цветом. Улучшение в потреблении тока существенно с сильно уменьшенными гармоническими искажениями в линии питания переменного тока. Это улучшает суммарный коэффициент гармонических искажений THD здания и увеличивает нагрузку трансформатора.
Рисунок 11. Сравнение спектров токов гармоник.
График на Рисунке 11 демонстрирует амплитуду тока каждой гармоники и сравнивает спектр токов гармоник, вызванных преобразователем частоты с фильтром гармоник и без фильтра гармоник.
В приведенной ниже таблицы сравниваются суммарный коэффициент гармонических искажений с коэффициентом активной мощности, измеряемых в этих испытаниях.
Преобразователь частоты без фильтра гармоник Преобразователь частоты с реактором постоянного тока Суммарный коэффициент гармонических искажений THD 107% 42% Коэффициент активной мощности 0,68 0,91 Важной проблемой является искажение напряжения, вызванное искажением тока. На Рисунке 12 представлена кривая напряжения, которая получается, когда преобразователь частоты с фильтром линии постоянного тока был подключен к той же линии электропитания и к той же нагрузке, что и преобразователь частоты без фильтра. Данная кривая напряжения не имеет существенный «фэт топпинг». Вклад в гармонические искажения существенно уменьшен.
Рисунок 12. Напряжение на входе в преобразователь частоты с фильтром линии постоянного тока.
Суммарное гармонические искажения напряжения для преобразователя частоты, представленного на Рисунке 8, было измерено как 4%. Это неприемлемо для критических установок. Для преобразователя частоты, представленного на Рисунке 12 с реакторами постоянного тока, суммарный коэффициент гармонических искажений THD составил 2%. Это удовлетворяет даже самому строгому стандарту IEEE. Коэффициент активной мощности вырос с 0,68 в преобразователе частоты без фильтра до 0,91 для преобразователя частоты с реакторами постоянного тока.
Рисунок 13. Регулируемый преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE со встроенными реакторами линии постоянного тока.
Установка фильтров гармоник
На преобразователе частот существует два основных места, в которых устанавливаются уменьшающие гармоники реакторы.
Метод, который используется в преобразователях частоты VLT HVAC DRIVE, представлен ан Рисунке 13. Поскольку данный преобразователь частоты разрабатывался специально для установок HVAC, ограничение гармонических искажений в линии питания было частью критериев проектирования. В результате данный преобразователь частоты содержит встроенные реакторы фильтров. Подключенные между входным выпрямителем и конденсатором шины постоянного тока, они называются реакторами линии постоянного тока.
Рисунок 14. Обычный преобразователь частоты с добавленными опциональными реакторами линии переменного тока.
Если преобразователю частоты не хватает фильтра гармоник, перед использованием установок HVAC может потребоваться установить внешний фильтр. Это задача реакторов линии переменного тока, представленных на Рисунке 14. Реакторы линии переменного тока должны быть внешними по отношению к преобразователю частоты и устанавливаются на всех трех входящих фазах.
Сравнение реакторов линии постоянного тока с реакторами линии переменного тока
Как реакторы линии постоянного тока, так и реакторы линии переменного тока могут существенно снизить искажения напряжения в линии питания переменного тока.
Чтобы получить необходимые характеристики по гармоникам, важно, чтобы используемые реакторы переменного или постоянного тока имели правильные размеры. Чтобы обеспечивать те же самые характеристики, номиналы реакторов линии переменного тока должны быть примерно на 50% больше, чем у реакторов постоянного тока. Кроме того, реакторам линии переменного тока требуется отдельный корпус с дополнительной проводкой, установкой и местом под него. Ток, проходящий через реакторы линии переменного тока, генерирует электрические потери, которые не были предусмотрены в исходной конструкции преобразователя частоты. Это падение напряжения на реакторе линии переменного тока уменьшает напряжение, доступное на преобразователе частоты. Когда дело касается небольших проблем с напряжением в линии, добавление реакторов линии переменного тока ухудшает дело. 5-процентный реактор линии переменного тока создает в контуре постоянного тока преобразователя частоты падение напряжения в 2,5%. Это уменьшает допустимую флуктуацию напряжения в источнике питания переменного тока. Мощность, которую преобразователь частоты подает на двигатель, также уменьшается. Выходная мощность ограничивается номинальным током преобразователя частоты и не может компенсировать падение выходного напряжения. Эти потери напряжения уменьшают кпд преобразователя частоты. Это также приводит к дополнительному выделению тепла, которое должно быть рассеяно.
Реакторы линии постоянного тока уменьшают только пульсации в контуре постоянного тока преобразователя частоты и не уменьшают уровень напряжения постоянного тока. Таким образом, они не уменьшают выходное напряжение переменного тока. Реакторы постоянного тока генерируют дополнительный уровень тепла в преобразователе частоты, но поскольку они не являются добавкой, преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE рассчитан на рассеивание данного тепла. Сравнение влияния реакторов переменного и постоянного тока на напряжение постоянного тока представлено на Рисунке 15.
Рисунок 15. Влияние реакторов линий переменного и постоянного тока на уровень постоянного напряжения.
Слева, верхняя кривая демонстрирует 1-процентный реактор линии переменного тока, а нижняя кривая – 10-процентный реактор линии переменного тока. Кривые справа показывают воздействие эквивалентных реакторов линии постоянного тока.Реакторы линии переменного тока действуют как буфер между искажениями в линии питания и секцией входного выпрямителя преобразователя частоты. Преобразователь частоты VLT HVAC DRIVE, спроектированный на использование металло-оксидных варисторов MOV (metal oxide varistor) и резисторно-конденсаторных (R/C) демпфирующих контуров, защищает вход преобразователя частоты от шума в линии питания переменного тока и не требует дополнительного демпфирования.
Заключение
Искажения в линии питания переменного тока от преобразователя частоты являются реальной проблемой установокHVAC. Важно то, что преобразователь частоты обеспечивает фильтрацию, чтобы уменьшить отрицательное влияние, которое преобразователь частоты имеет на остальную часть электрической системы здания. Регулируемый преобразователь частоты VLT HVAC Drive, разработанный под требования установок HVAC, включает в себя встроенные реакторы линии постоянного тока как стандартную опцию.
Данные испытания системы
Данные испытаний основаны на следующих спецификациях системы.
Полная мощность трансформатора 1,5 МВА Напряжение первичного контура 11 кВ Напряжение вторичного контура 400 В Импеданс 6,1% Мощность короткого замыкания, вторичный контур 25 МВА Мощность короткого замыкания, первичный контур 350 МВА Отношение короткого замыкания 250 Мощность преобразователя частоты 100 кВт HC преобразователя частоты без фильтра 745% HC преобразователя частоты с фильтром 319% Предполагается 100% уравновешенность напряжения. Также предполагается, в целях сравнения, что перед установкой преобразователей частоты в систему гармонических искажений не было.