Преобразователь напряжения

Преобразователь напряжения – это устройство, изменяющее вольтаж цепи. Именно так, а не иначе. Причём в литературе зарубежной подразумевается, что речь идёт о цепях переменного напряжения, в противном случае устройство называют преобразователем постоянного тока. Впрочем, последние в любом случае также рассматриваются, как полноценные члены семейства.

Зачем нужны преобразователи напряжения

Необходимость в использовании устройство этого рода преимущественно возникает в тех случаях, когда нужно какой-либо электрический прибор внедрить в регионе, где стандарты промышленных сетей снабжения энергией отличаются от заложенных при разработке изделия. Так например, всем известно, что частоты и амплитуда напряжения в США отличны от Европы или России. Этому есть целый ряд причин. В своё время Тесла заметил, что при увеличении частоты можно значительно снизить вес медной обмотки трансформатора, кроме того при достижении параметром значения 700 Гц электричество становится в большой мере безопасным для человеческого организма. Но при этом растут потери в сердечниках, и начинается активное излучение электромагнитной волны в пространство.

Преобразователь вольтажа цепи

Преобразователь вольтажа цепи

Оценив все за и против, в США под влиянием Николы Тесла была узаконена частота 60 Гц. В России (и Европе) приняли к сведению доводы известного инженера Доливо-Добровольского (обосновал выгодность использования трёхфазных сетей). Таким образом, на протяжении Евразии стали эталоном де-факто 50 Гц. Что касается амплитуды напряжения, то и здесь не все так просто: действительно, 220 В опасны для человека, но при этом потребитель требует меньший ток. В результате сечение медных проводников можно снизить и значительно. К тому же, и 110 В переменного тока нельзя считать безопасными полностью. О чем мы все прекрасно осведомлены из американских боевиков, где не раз и не два главный герой уничтожал врага электрическим разрядом местной энергосети.

Что касается влияния параметров на технику, то они описываются достаточно просто:

  1. Частота оборотов любого двигателя зависит от амплитуды приложенного напряжения. Скорость вращения вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором напрямую зависит от частоты питающей сети.
  2. Нагревательные приборы рассчитаны на рабочий ток, который пропорционален величине напряжения. Так как сопротивление преимущественно активное. В результате мощность при прочих равных изменяется в 4 раза (ток берётся в квадрате) при аналогичном варьировании между сетями 110 и 220 В. Понятно, что и потребитель ожидает от изделия номинальных параметров, и сам прибор может быть не рассчитан на необычную эксплуатацию.
  3. Бытовая техника в своём составе часто использует напряжения отличные от сетевых со строго определённой амплитудой. Обеспечиваются эти условия блоком питания. Очевидно, что для нормальной работы требуется преобразователь напряжения.

Зачем в мировой практике введены разные напряжения

Электрификация в массовом порядке велась с начала XX века. В процессе участвовало достаточно большое количество людей, каждый из которых преследовал помимо объективных и некие свои интересы. Так например, Эдисон продвигал постоянное напряжение, а Тесла назло тому – переменное. В свою очередь, Доливо-Добровольский имел все основания недолюбливать второго из упомянутых учёных (конфликт интересов в сфере трёхфазных сетей), а потому есть шансы, что частоту 50 Гц ввёл наперекор США, и вся Европа прислушалась к мнению более близкого той окрестности инженера.

Что касается СССР, то нет никаких сомнений, что вольтаж на 220 В мог быть оставлен только из одних лишь военных и стратегических соображений в ходе холодной войны. Как в своё время диаметр сигареты соответствовал калибру патрона для скорейшего перевода оборудования на выпуск специфической продукции.

Местоположение преобразователей напряжения в общей классификации

С позволения авторов Википедии мы приведём их классификацию для преобразователей электроэнергии различного рода, чтобы читатели могли понять, где именно расположился объект сегодняшней беседы:

  • Постоянного тока:
  1. Преобразователи уровня напряжения (обсуждался выше).
  2. Регуляторы напряжения.
  3. Линейный стабилизатор напряжения.
Базовый регулятор линейного напряжения

Базовый регулятор линейного напряжения

  • Переменный ток в постоянный:
  1. Выпрямители.
  2. Блоки питания.
  3. Импульсные стабилизаторы напряжения.
  • Постоянный ток в переменный:
  1. Инверторы.
  • Переменного напряжения:
  1. Трансформаторы различного рода.
  2. Преобразователи напряжения.
  3. Регуляторы напряжения.
  4. Преобразователи формы и частоты напряжения.
  5. Трансформаторы переменной частоты.
Читайте также:  Трёхфазное напряжение

Преобразователи напряжения могут касаться ещё двух классов. Конечно же, это блоки питания в первую очередь. Каждый из них содержит в своём составе преобразователь напряжения. Обычно это трансформатор. Кроме того, преобразователи уровня также вполне подходят под отечественное определение предмета беседы, хотя и выделяются в отдельный класс. Именно так вопрос ставится в книге М.А. Шустова по рассматриваемой теме.

Классификация преобразователей напряжения

В соответствии с сказанным можно провести первичную классификацию преобразователей напряжения:

  • В первую очередь это блоки питания различного рода аппаратуры. Уверены, что нашим читателям наиболее близкими покажутся системные блоки обычных персональных компьютеров. В полной мере это не соответствует определению, данному в начале, но следует заглянуть внутрь. Импульсный блок питания персонального компьютера содержит в своём составе трансформатор с множеством обмоток, каждая из которых работает на один из номиналов. Таким образом, из переменного напряжения 220 (или 110 В) получается ряд постоянных: +5, -5, +12, -12 В и пр. Но! Последующим выпрямлением переменного тока диодами Шоттки.

    Адаптер напряжения встроен в блок питания

    Адаптер напряжения встроен в блок питания

  • Во вторую очередь это адаптеры для локализации оборудования, о чем мы уже вели речь выше. Следует отметить, что в большей части бытовой техники эта опция является встроенной в блок питания (см. фото). Так например, достаточно переключить тумблер на задней стенке системного блока, чтобы изменить условия работы. Будьте бдительны, и не допускайте неправильных настроек напряжения, дабы не вывести оборудование из строя.
  • Адаптеры сотовых телефонов и гаджетов нельзя в полной мере назвать преобразователями напряжениями. Скорее это модули, включающие предмет сегодняшней темы в свой состав.

Используя обычные трансформаторы или автотрансформаторы для преобразования амплитуды напряжения, не нужно забывать и о частоте. Многие двигатели, сконструированные для работы на 60 Гц, будут перегреваться в сетях 50 Гц. Даже если амплитуда напряжения соответствует заданной. Что касается встроенных опций блоков питания, то далеко не всегда имеется возможность переключить настройки. В этом случае изделие может маркироваться наклейкой (помимо заводского шильдика), доступно поясняющей любому, для работы в каких условиях предназначен прибор (см. фото). Что касается расхождений между Европой и Россией в вольтаже на 10 В (230 и 220), то это обычно не сильно влияет на работу (хотя и есть негативные моменты). Например, мы отмечали в других топиках влияние этого параметра на срок службы лампочек накала и электронных ламп.

Маркировка наклейкой

Маркировка наклейкой

В соответствии с конструкцией в электронике преобразователи напряжения можно поделить следующим образом:

  1. Бестрансформаторные конденсаторные.
  2. С коммутируемыми конденсаторами.
  3. Мультиплексорные.
  4. Импульсные преобразователи.
  5. Импульсные источники питания.
  6. Трансформаторные с импульсным возбуждением.
  7. Автогенераторные.
  8. На пьезоэлектрических трансформаторах.

Конструкция преобразователей напряжения

С ростом частоты увеличиваются и потери на вихревые токи в сердечниках трансформаторов. Это явление пытаются пресечь путём шихтования. То есть сердечник разделяется на пластины, с плоскостью параллельной линиям магнитного поля. Кроме того используется особая электротехническая сталь с высоким удельным сопротивлением.

По мере роста частоты магнитный поток вытесняется из толщи сердечника наружу. Ферромагнитные материалы применяют обычно для увеличения индуктивности. Но на высоких частотах это становится нецелесообразно по указанной выше причине. Магнитная проницаемость не растёт, и нет смысла изготавливать подобный сердечник. Вот почему на ВЧ широко используются магнитодиэлектрики в виде прессованного порошка. Это устраняет потери на вихревые токи. В то же время и сила магнитного потока сильно снижается. В свою очередь, периодичность законов изменения тока и напряжения диктует следующее правило…

Энергия, запасённая в преобразователе за период, пропорциональна квадрату ёмкости или индуктивности системы.

Таким образом, в устройствах могут использоваться накопители индуктивного или ёмкостного типа. Это в какой-то мере объясняет применение ферромагнитных материалов в блоках питания, а также объясняет, почему Тесла в своих опытах шёл совершенно иным путём. В самом деле, мы уже говорили, что учёный для создания токов высокой частоты использовал колебательные контуры. В точности тем же путём и сегодня идём техника для создания преобразователей напряжения. Например, для постоянного тока конструкция может выглядеть следующим образом:

  1. Входное напряжение является одновременно и питающим.
  2. Сердцем преобразователя служит генератор переменного напряжения. Например, известный всем мультивибратор (триггер на двух транзисторах), изображение которого можно найти повсеместно. Во многих случаях бывает выгодно применять готовые микросхемы каких-либо серий или даже инверторы.
  3. Результирующее напряжение переменное, зачастую прямоугольной формы. При необходимости усиливается, умножается или понижается (в том числе при помощи коммутируемых конденсаторов), выпрямляется, получается нужная полярность (преобразователь полярности напряжения). Следует заметить, что эти каскады также могут быть выполнены на микросхемах. Например, мультиплексоры широко применяются для коммутации конденсаторов, запасающих мощность.

Мы видим, что преобразователь напряжения не может быть построен напрямую без трансформатора. Однако если отклоняться от строго определения, то можно решить самые разнообразные задачи. Любой мультивибратор в своём составе содержит цепочку RC, что когда-то и применил Тесла. Для получения напряжения нужно полярности применяется должным образом выполненное включение диодов и фильтрующих конденсаторов. Выпрямитель может быть и мостовым (см. Диодный мост).

Подобные схемы на практике встречаются только в электронике по одной простой причине: не удаётся получить высокой мощности. На данный момент времени не создано полупроводниковых ключей, позволяющих обойти ограничение, а ёмкости конденсаторов потребовались бы просто гигантские. В том числе и поэтому производители постоянно борются за экономию электроэнергии.

Поэтому даже в системного блоке применяются все же импульсные трансформаторы, хотя для генерации стабильной чистоты и используются кварцевые резонаторы. В чем их отличие? Работа с высокой частотой напряжения, что позволяет значительно уменьшить количество запасённой за период колебания энергии. В результате и габариты трансформаторов можно сильно уменьшить, а вредные в этом случае ферромагнитные сердечники выбросить вовсе, понизив ещё и вес. Имеются конструктивные особенности и другого рода. Как пишет выдающийся схемотехник М.А. Шустов:

  1. Индуктивные преобразователи обычно меньших габаритов при прочих равных. Поэтому применяются для повышенных мощностей. Что мы и видим хотя бы на примере трансформаторов.
  2. Что касается ёмкостных преобразователей, то их выгодно использовать для малых мощностей. Вспомним о тех же мультивибраторах с их RC цепочкой.

Вы, наверное, слышали про «трансформаторы» постоянного напряжения. Это также можно отнести к конструктивные особенностям. В составе генератора используется звено обратной связи в виде кристалла кварца. Запасающий конденсатор управляет режимом работы транзистора, а переменное напряжение в виде акустической волны проходит через пьезоэлемент. В силу очевидных обстоятельств рабочие частоты лежат в области единиц МГц, а мощность достаточно мала. Понятно, что напрямую постоянное напряжение такая система передавать не может, а термин трансформатор применяется иносказательно.