Постоянное напряжение это: Постоянный и переменный ток | Полезные статьи — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

«Чем переменный ток отличается от постоянного?» — Яндекс Кью

Эдисон был прав: За постоянный ток!

В наши дома подается переменный ток напряжением 220 вольт. При непосредственном воздействии он представляет серьезную опасность для жизни и здоровья. А между тем, заметная часть бытовой электроники потребляет постоянный ток низкого напряжения. Возникает вопрос, а не пора ли нам внедрить новый стандарт питания, например, 12 вольт постоянного тока.

С таким предложением выступают, в частности, инженеры Google.

Item 1 of 3

1 / 3

В конечном итоге Эдисон оказался прозорливее: с современными технологиями постоянный ток может оказаться выгоднее высоковольтного переменного

Великий изобретатель Томас Альва Эдисон ратовал за постоянный ток, утверждая, что с ним гораздо удобнее работать. Однако в итоге всемирным стандартом стал переменный ток высокой частоты и высоких напряжений, за который выступал гениальный Никола Тесла при поддержке крупного магната Джорджа Вестингауза. Переменный ток хорош, прежде всего, тем, что его напряжение можно изменять относительно легко, с помощью простых катушечных трансформаторов. Преобразовывать постоянный ток существенно труднее — здесь нужна хитрая полупроводниковая электроника. Впрочем, современные полупроводниковые преобразователи и дешевы, и эффективны, так что в наши дни и это не проблема.

Ну а высокое напряжение выгодно прежде всего потому, что оно позволяет передавать большую мощность по проводам меньшего сечения.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Современная энергетическая система построена следующим образом. Электростанции производят ток напряжением в сотни тысяч вольт. На уровне распределения по улицам и кварталам напряжение тока скидывают до 22 тыс. вольт, ну а в отдельные квартиры идет ток напряжением в 220 вольт. Это не так уж и много, однако сопротивление кожи подобное напряжение «пробивает» в легкую. Другими словами, ток, который подается в дома и квартиры, опасен для жизни из-за слишком высокого напряжения. Посмотрим, что с ним происходит дальше.

Большинство современных бытовых приборов имеют небольшой встроенный или внешний трансформатор, который преобразует переменный 220-вольтный ток из розетки в постоянный ток низкого напряжения. Мы живем в век электроники, а электронные устройства питаются именно таким током и вообще потребляют очень мало мощности. Конечно, в каждой квартире существует несколько мощных потребителей — пылесос, стиральная машинка, электрический чайник и прочая кухонная техника — однако они находятся в явном меньшинстве. Наиболее эффективные современные источники освещения, светодиодные лампы также работают от постоянного тока и не требуют высокого напряжения. Соответственно, производители вынуждены снабжать встроенными трансформаторами и их. А ведь при преобразовании тока часть энергии неизбежно расходуется впустую.

Те, кто использует альтернативные источники энергии — солнечные батареи и ветряки, — как правило, накапливают даровое электричество в 12-вольтовых автомобильных аккумуляторах. Чтобы подключить их к домашней сети, приходится использовать трансформаторы, преобразующие постоянный ток в переменный и задирающие напряжение до стандартных 220 вольт. При этом большая часть конечных устройств-потребителей осуществляет обратное преобразование.

Возникает разумный вопрос — не лучше ли сразу подавать в розетки постоянный ток с низким напряжением? Во-первых, это позволит избежать ненужных потерь, связанных с лишними преобразованиями. Во-вторых, подобная сеть будет абсолютно безопасна — сколько ни суй пальцы в розетку, ничего не случится.

Подобное решение было использовано архитектором Энди Томсоном (Andy Thomson) в проекте экологически дружелюбного коттеджа MiniHome — все бытовые приборы в этом доме, кроме микроволновой печи, питаются от сети с постоянным током напряжением в 12 вольт.

Инженеры компании Google также согласны с тем, что подключать компьютеры и прочие электронные устройства к сети 220 вольт — «либо глупость, либо вредительство». Более того, они разработали и вынесли на широкое обсуждение целый проект по «внедрению высокоэффективных систем питания для домашних компьютеров и серверов», основанную на 12-вольтовом стандарте. Вот что нужно сделать в ближайшее время, по их мнению:

1. Разработать всеобщий стандарт питания электронных устройств, основанный на постоянном токе напряжением в 12 вольт.

2. Разработать стандартный разъем питания для 12-вольтовых электрических сетей (забавно, что единственным общепризнанным вариантом 12-вольтовой розетки является автомобильный прикуриватель).

3. Снабдить все строящиеся и ремонтирующиеся дома дополнительной электрической сетью на основе 12-вольтового стандарта питания.

4. Пересмотреть стандарты прокладки электросетей для того, чтобы снизить количество 220-вольтовых розеток до необходимого минимума.

Над вопросом о том, какой именно ток оптимален для бытовых нужд, некогда было сломано немало копий. Читайте о противостоянии Томаса Эдисона и Никола Теслы: «Битва электрических королей».

По публикации TreeHugger

Постоянное напряжение, постоянный ток и постоянная мощность

Широкий ассортимент импульсных источников питания (SMPS) Astrodyne TDI используется на многих рынках, каждый из которых имеет свои собственные требования. Наши блоки питания оснащены возможностью управления своими выходными характеристиками в зависимости от напряжения, тока или мощности, в зависимости от применения. Наши блоки питания позволяют плавно переключаться между тремя режимами. В этой статье объясняется разница между постоянным напряжением, постоянным током и постоянной мощностью, а также некоторые приложения, для которых они могут потребоваться. Рассмотрев каждый из них, мы углубимся в то, как Astrodyne TDI реализует эти функции в каждом из наших программируемых расходных материалов.

Загрузить примечание к приложению

Режим постоянного напряжения в источнике питания

Постоянное напряжение (CV) является стандартным режимом работы, когда речь идет об источниках питания. В режиме постоянного напряжения источник питания будет выдавать заданное напряжение во всем диапазоне нагрузки. На рис. 1 показан график зависимости напряжения от сопротивления нагрузки для источника питания, запрограммированного на 48 В, с ограничением по току 80 А. Обратите внимание, как напряжение остается постоянным от холостого хода до полной нагрузки.

Для того чтобы SMPS мог регулировать заданное напряжение при изменении условий, ему необходим контур управления. Упрощенный контур управления для понижающего преобразователя показан на рис. 2, хотя эти принципы применимы к любой топологии.

Контур управления состоит из нескольких частей. Масштабированное представление выходного напряжения преобразователя сравнивается с опорным напряжением через схему U1, известную как усилитель ошибки (EA). Как следует из названия, усилитель ошибки выдает сигнал, соответствующий отклонению выходного напряжения от эталонного значения Vref. Если выходное напряжение выше опорного, усилитель ошибки соответственно уменьшит напряжение на своем выходе. В случае, когда нагрузка увеличивается и выходное напряжение начинает падать ниже опорного значения, усилитель ошибки увеличивает свое выходное напряжение. Когда масштабированное выходное напряжение равно эталонному, равновесие достигнуто, и советник сохраняет свой выход постоянным.

После этого сигнал EA сравнивается с пилообразным сигналом для создания ШИМ-импульсов для верхнего переключателя в стандартном понижающем преобразователе или в качестве управляющего сигнала в более сложных топологиях. Управление шириной этих импульсов позволяет разработчикам контролировать выходное напряжение преобразователя. Более широкие импульсы соответствуют большему количеству энергии, подаваемой во время каждого цикла переключения, что, в свою очередь, увеличивает энергию, подаваемую на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Как видно на рисунке 3, чем выше сигнал, поступающий от усилителя ошибки, тем шире становятся импульсы ШИМ. Интуитивно это означает, что при падении выходного напряжения преобразователь должен отдавать больше энергии за период переключения, чтобы вернуться к равновесию.

Режим постоянного тока в источнике питания

Режим работы постоянного тока (CC) можно рассматривать как параллель вышеупомянутому режиму работы постоянного напряжения. Целью режима постоянного тока в источниках питания является поддержание заданного выходного тока при изменении условий нагрузки. На рис. 4 тот же преобразователь на 48 В запрограммирован на уставку постоянного тока 24 А. При сопротивлении нагрузки 2 Ом выходное напряжение составляет 48 В и будет уменьшаться с сопротивлением нагрузки, чтобы поддерживать выходной ток 24 А.

Продолжая наш предыдущий пример с понижающим преобразователем, схему, показанную для постоянного напряжения, можно немного изменить, чтобы вместо этого регулировать на основе тока. Результирующая схема показана на рис. 5:

Вместо масштабированного выходного напряжения источник питания, работающий в режиме CC, сравнивает свое опорное значение с масштабированным выходным током. Этого можно добиться с помощью датчика Холла, шунта с дифференциальным усилителем или любого другого метода преобразования тока в напряжение. В этом примере преобразователь по-прежнему будет изменять выходное напряжение, но теперь будет регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать желаемый ток.

При работе только с постоянным током, с небольшой нагрузкой или без нагрузки преобразователь достигает максимального рабочего цикла. При малых нагрузках (высокое сопротивление) напряжение должно быть больше максимального напряжения источника питания, чтобы выдавать запрограммированный ток. И наоборот, наличие высокой нагрузки (низкое сопротивление) приведет к тому, что преобразователь достигнет своего минимального рабочего цикла, поскольку напряжение стремится к 0 В. В каждом из этих случаев преобразователь уже не в состоянии регулировать. Сигнал, используемый для замыкания контура, выходит за допустимые пределы, и преобразователь переходит в разомкнутый контур. Чтобы этого не произошло, CC и CV можно объединить в один цикл:

При отдельных заданиях уставки тока и напряжения могут быть настроены индивидуально. Это позволяет преобразователю задавать максимальное напряжение, позволяя токовой петле оставаться под контролем до тех пор, пока не будет достигнуто это максимальное напряжение.
Теперь при небольшой нагрузке контур напряжения может взять на себя управление и продолжить регулирование выходного сигнала. Однако при объединении контуров напряжения и тока одновременно может использоваться только один сигнал. В этом примере меньший из двух сигналов, т. е. сигнал, который превысил свое опорное значение, используется в качестве входа для блока ШИМ. Это предотвращает превышение запрограммированных пределов напряжения или тока.

Возвращаясь к предыдущему примеру, наш источник питания запрограммирован с ограничением напряжения 48 В и ограничением тока 24 А, точкой переключения является сопротивление нагрузки 2 Ом. При сопротивлении 2 Ом удовлетворяются как контуры напряжения, так и контуры тока, любой из сигналов будет давать одинаковое выходное напряжение. Выше 2 Ом, если позволить токовой петле оставаться под контролем, напряжение будет продолжать увеличиваться выше 48 В, чтобы поддерживать выходной ток 24 А. Ниже 2 Ом, если контур напряжения останется под контролем, ток начнет превышать 24 А. Линейка блоков питания Astrodyne TDI может легко переключаться между этими режимами.

Режим постоянной мощности в блоках питания

До сих пор мы рассматривали блоки питания, которые могут регулироваться в зависимости от тока, напряжения или того и другого. Чтобы ограничить выходную мощность и, следовательно, входную мощность, вводится третий режим работы: постоянная мощность (СР). При работе в режиме постоянной мощности напряжение регулируется таким образом, чтобы выходная мощность оставалась постоянной. На рис. 7 мы сохраняем исходную уставку напряжения 48 В, уставку тока 80 А, но теперь программируем уставку мощности на 1 кВт. Для каждого показанного сопротивления нагрузки произведение выходного напряжения и тока равно 1кВт.

Как и в случае с режимами постоянного напряжения и постоянного тока, которые обсуждались ранее, режим постоянной мощности нуждается в собственном контуре управления. Масштабированные представления напряжения и тока из предыдущих примеров можно перемножить, чтобы получить сигнал, пропорциональный выходной мощности. С этим мы также можем начать регулировать выходную мощность. На рис. 8 показана полная реализация функций постоянного напряжения, постоянного тока и постоянной мощности в одном устройстве.

Правда, приведенные выше графики для трех режимов работы не дают полной картины. Горизонтальные оси для этих графиков были выбраны для выделения частей ВАХ, где действовал желаемый режим работы. Однако схема, показанная выше, включает в себя все три контура управления, работающие вместе. Также важно понимать, как взаимодействуют эти режимы.

На приведенном ниже графике показана кривая напряжения для источника питания, запрограммированного на 48 В, с ограничением напряжения 48 В, ограничением тока 80 А и ограничением мощности 2000 Вт во всем диапазоне нагрузки.

На рис. 9 показан переход между каждым из режимов работы в зависимости от сопротивления нагрузки. Эти переходы плавные, не нужно менять настройки, не нужно переключать биты. Форму графика можно легко изменить, изменив каждую из уставок. Значения V0, V1, R0 и R1 можно перемещать, изменяя предел напряжения Vlim, предел мощности Plim и предел тока Ilim. Когда сопротивление нагрузки достигает R0, усилитель мощности ошибки имеет самое низкое напряжение из трех усилителей ошибки, поскольку выходная мощность пытается превысить предел мощности. Это приводит к тому, что сигнал усилителя ошибки берет на себя управление контуром. Точно так же, когда сопротивление нагрузки продолжает уменьшаться до R1, достигается ограничение по току, и усилитель ошибки по току начинает действовать.

Импульсный источник питания Применение

Источник питания постоянного напряжения для светодиодов

Возьмем, к примеру, применение светодиодного освещения. Яркость светодиода прямо пропорциональна величине тока, протекающего через него, но перегрузка светодиода может значительно сократить срок его службы. При постоянном напряжении для запуска последовательной цепочки светодиодов потребуется либо схема отражения тока, либо внешнее управление током, либо последовательный резистор. Это создает ненужные потери и увеличивает сложность конструкции.

Возьмем последовательную цепочку светодиодов, питающихся от источника постоянного напряжения и ограничивающего ток последовательным резистором. Если один из светодиодов выйдет из строя, сумма прямых напряжений светодиодов уменьшится, а напряжение на резисторе соответственно увеличится. Это вызовет увеличение тока через цепочку и рассеивание мощности на резисторе. Более высокие токи и температуры вызовут еще большую нагрузку на оставшиеся компоненты, что в конечном итоге приведет к полному выходу из строя.

При использовании источника постоянного тока неисправный светодиод просто заставит преобразователь снизить выходное напряжение на прямое напряжение светодиода. Ток останется прежним, рассеиваемая мощность уменьшится, а остальные светодиоды продолжат работать. Источники постоянного тока постоянно компенсируют изменения сопротивления нагрузки из-за температуры, допусков компонентов и старения.

Постоянный ток в катодной защите

Другим применением источников постоянного тока Astrodyne TDI является катодная защита с импульсным током. Исторически катодная защита выполнялась с помощью понижающего трансформатора, настроенного на получение правильного тока. Однако со временем изнашивается не только трансформатор, но и изменяется сопротивление мишени. Это приводит к необходимости повторной настройки трансформатора, затрат времени и человеко-часов. Это особенно сложно в отдаленных районах. Имея среднее время наработки на отказ более 250 000 часов, источники постоянного тока Astrodyne TDI могут сократить часы опасной работы и будут выдавать один и тот же ток независимо от изменений целевой нагрузки.

Дополнительную информацию по теме ICCP можно найти в статье Astrodyne TDI: «Успешная адаптация технологии высокочастотного импульсного источника питания к катодной защите с импульсным током».

Режим постоянной мощности для резистивного нагрева

В приложениях, где требуется точное рассеивание мощности, источники постоянного питания Astrodyne TDI превосходны. Со стандартным резистивным нагревательным элементом может произойти значительное изменение выходной мощности из-за влияния температурного коэффициента материала. Сопротивление нагревательного элемента увеличивается с температурой. Этот эффект зависит от материала. Сопротивление некоторых материалов может увеличиться почти вдвое при переходе от эталонной температуры (обычно 20 °C) к их максимальной рабочей температуре. Другие материалы, такие как карбид кремния, демонстрируют нелинейные температурные коэффициенты, при которых сопротивление будет уменьшаться, а затем увеличиваться при более высоких температурах.

Вместо прямых измерений температуры в различных точках обогреваемой области для приблизительного определения подаваемой мощности источник постоянной мощности автоматически отслеживает эти изменения. Это может значительно упростить настройку всей системы и поддерживать более высокую точность, чем традиционные методы.

В системах с более чем одним элементом несоответствие сопротивлений может вызвать большой температурный градиент между элементами и привести к неравномерному нагреву или повреждению элемента. Используя постоянный источник питания для каждого элемента, вы можете гарантировать равномерное распределение тепла в каждом элементе, что приводит к более равномерному нагреву мишени.

Постоянное напряжение — HomoFaciens

Новости Проект Технологии РобоСпатиум Способствовать Предметный указатель Скачать Ответы Игры Советы по покупкам Контакт

<<< Широтно-импульсная модуляция H-мост >>>

Видео о постоянном напряжении

Идеальный и реальный источник напряжения

Идеальный источник постоянного напряжения обеспечивает постоянный потенциал между его клеммами для любого протекающего через него тока — однако мы живем не в идеальном мире, но наше намерение — максимально приблизиться к нему.

Давайте познакомимся со свойствами аккумуляторной батареи 12 В:

. Рисунок 1:
Номинальное выходное напряжение батареи составляет 12 В, но почти каждый раз, когда вы подключаете вольтметр к клеммам батареи, вы обнаружите значение, хотя бы немного отличающееся от этих 12 В. Химические процессы, генерирующие выходное напряжение, зависят от концентрации определенных ионов внутри батареи. Концентрация колеблется всякий раз, когда батарея разряжается или заряжается. Напряжение окончания заряда и, следовательно, максимальное напряжение не должно превышать 14 В, и вы должны прекратить разрядку аккумулятора при достижении потенциала 11,2 В.

Существует еще одно свойство аккумуляторов, которое необходимо учитывать, когда для вашего приложения требуется постоянное напряжение: вольт-амперная характеристика при подключении нагрузки к аккумулятору. Предположим, что падение напряжения без нагрузки, подключенной к аккумулятору, составляет 12,5 В. При подключении к клеммам лампы накаливания 12В 10Вт потенциал снижается всего до 12,3В. Ток около 800 мА потребляется от батареи. Ток вызывает движение ионов внутри элементов батареи (см. главу «Гальванический элемент»). Скорость этого движения ограничена, следовательно, концентрация ионов вокруг электродов уменьшается, а значит, уменьшается и потенциал на выходных клеммах. Чем выше ток, потребляемый от батареи, тем ниже выходное напряжение. Батарея действует как идеальный источник напряжения с резистором, подключенным последовательно к одной из его клемм. Сопротивление этого гипотетического устройства внутри гальванических элементов называется внутреннее сопротивление батареи, и эта концепция применима ко всем видам электрических источников в реальном мире . Внутреннее сопротивление, также называемое выходным импедансом , импедансом источника или внутренним импедансом , вызвано рядом последствий, и на них влияют не только батареи. Сопротивление обмоток генератора или выпрямителей также приводит к внутреннему сопротивлению реальных источников напряжения.

Рисунок 2:
На чертеже показана принципиальная схема реального источника напряжения с нагрузкой, подключенной к выходным зажимам. Внутреннее сопротивление обозначается резистором R _и, который последовательно подключается к нагрузке. Ток, протекающий по цепи, вызывает падение напряжения на R _i, которое вычитается из потенциала U ₀, генерируемого идеальным источником.

В приведенном выше примере внутреннее сопротивление батареи можно рассчитать следующим образом:
Сопротивление лампы накаливания:
R _Лампа = 12,3 В / 0,8 А = 15,4 Ом
«Резистор внутри батареи» включен последовательно с нагрузкой, и потенциал без подключенной нагрузки составляет 12,5 В, что мы получаем:
R _{Батарея} / R _{Нагрузка} = (12,5 В — 12,3 В) / 12,3 В
или
R _{Аккумулятор} = R _{Нагрузка} * 0,2 В / 12,3 В
В результате внутреннее сопротивление составляет примерно 0,25 Ом. Это значение непостоянно. При подключении лампы накаливания 40Вт к аккумулятору получаем:
Потенциал без нагрузки: 12,5 В
Потенциал с лампой накаливания 40 Вт: 12,0 В
Ток через лампу: 3,8 А
Результирующее сопротивление лампы: 3,2 Ом
Результирующее внутреннее сопротивление: 1,32 Ом

Обычно бывает: Чем больше емкость батареи, тем меньше внутреннее сопротивление, так как размеры электродов, в основном площадь их поверхности, тоже увеличиваются.

Регулировка напряжения

Есть несколько способов получить более постоянное напряжение, чем может обеспечить батарея. В главе о делителях напряжения мы узнали, как получить часть напряжения, обеспечиваемого источником питания. Предположим, что нашей схеме требуется входное напряжение 5 В, когда устройство подключено к батарее 12 В из приведенного выше примера. При использовании постоянных резисторов потенциал на выходе делителя напряжения уменьшается с уменьшением напряжения батареи в процессе разрядки или всякий раз, когда к цепи подключается другая нагрузка.

Выходное напряжение делителя можно отрегулировать, если используется один потенциометр. Переменное сопротивление потенциометра позволяет регулировать выходное напряжение делителя при каждом изменении напряжения батареи. Другим переменным резистором является транзистор, который можно использовать для построения Цепь стабилизатора :

Рисунок 3:
Базовый вывод NPN-транзистора подключен к делителю напряжения, образованному резисторами R ₁ и стабилитроном 5,1 В. Как объяснялось в главе о делителях напряжения, стабилитрон обеспечивает почти постоянное напряжение 5,1 В, пока входное напряжение превышает это значение. Как только к выходным зажимам схемы подключается нагрузка, линия эмиттер-коллектор транзистора и нагрузка образуют второй делитель напряжения схемы. Если сопротивление нагрузки постоянно, результирующее выходное напряжение на нагрузке обусловлено переменным сопротивлением линии эмиттер-коллектор транзистора. При напряжении эмиттер-база 0,5 В сопротивление явно превышает несколько МОм, в то время как оно уменьшается до нескольких Ом и ниже при напряжении базы 0,7 В. Обычно сопротивление нагрузки явно ниже максимального и явно выше минимального сопротивления линии эмиттер-коллектор, поэтому напряжение эмиттер-база всегда составляет около 0,6В, пока схема подключена к напряжению питания.

Для напряжения на нагрузке и, следовательно, потенциала на эмиттерном выводе транзистора:

U _{Эмиттер} = U _Выход = U _Вход * R _{Нагрузка} / (R _{Нагрузка} + R _{Транзистор} ) = U _{Стабилитрон} — U _{EB _{4
или
U _EB = U _{Стабилитрон} — U _В * R _{Нагрузка} / (R _{Нагрузка} + R _{Транзистор})
или
R _{Транзистор} = R _{Нагрузка} * (U _В / (U _{Стабилитрон} — U _ЭБ ) — 1)}}

Где находится:
U _{Излучатель} — Потенциал между землей и Излучателем
U _В — Входное напряжение цепи
R _{Нагрузка} — Сопротивление нагрузки
R _{Транзистор} — Сопротивление линии эмиттер-коллектор транзистора
U _{Стабилитрон} — Падение напряжения на стабилитроне (постоянное)
U _BE — Напряжение эмиттер-база (почти постоянное, примерно 0,6 В)

Что означают приведенные выше формулы? Что ж, всякий раз, когда сопротивление нагрузки уменьшается, выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) также уменьшается, что приводит к увеличению напряжения между эмиттером и базой (U _EB). Однако с увеличением напряжения эмиттер-база сопротивление линии эмиттер-коллектор транзистора уменьшается, что приводит к увеличению выходного напряжения. Цепь обратной связи схемы уравновешивает падение напряжения, вызванное уменьшением сопротивления нагрузки. С другой стороны: если сопротивление нагрузки увеличивается, U _BE будет уменьшаться, вызывая увеличение сопротивления линии эмиттер-коллектор. Уменьшение сопротивления нагрузки также уравновешивается уменьшением сопротивления транзистора.
Увеличение входного напряжения приведет к увеличению выходного напряжения, а также к уменьшению напряжения эмиттер-база и, следовательно, к увеличению сопротивления эмиттер-коллектор. Увеличение сопротивления линии эмиттер-коллектор уравновешивает возрастающее входное напряжение. И наоборот, уменьшение входного напряжения приводит к увеличению напряжения эмиттер-база и, следовательно, к уменьшению сопротивления линии эмиттер-коллектор. И снова схема действует вопреки изменяющимся обстоятельствам, регулируя выходное напряжение до заданного значения.
Результирующее выходное напряжение схемы равно:

U _Вых = U _{Стабилитрон} — U _EB

Разница между входным и выходным напряжением должна быть больше, чем базовое напряжение, необходимое для насыщения биполярного NPN-транзистора. Обычно это 0,7 В (1,3 В на транзисторах Дарлингтона) и выше. Минимальная требуемая разница напряжения между входом и выходом называется падением напряжения . Падение напряжения при подключении нагрузки к выходным зажимам, вызванное внутренним сопротивлением источника напряжения, подключенного к входным зажимам, также необходимо учитывать, поскольку выходное напряжение схемы регулятора не может превышать входное напряжение.
Режим переключения транзистора называется эмиттерным повторителем или повторителем напряжения BJT , потому что потенциал эмиттера соответствует (почти) потенциалу базы, которая является входом транзистора.

Схема называется линейным регулятором , потому что существует линейная зависимость между сопротивлением транзистора и входным напряжением. Сопротивление регулятора изменяется в зависимости от нагрузки и входного напряжения, что приводит к постоянному выходному напряжению.
Транзистор часто называют проходным транзистором , потому что устройство пропускает напряжение (строго говоря, ток и, следовательно, электрическую энергию) от входа к выходной цепи.
Рисунок 4:
Используя операционный усилитель в режиме компаратора, можно значительно повысить стабильность выходного напряжения:
Коэффициент усиления операционного усилителя явно выше, чем у одного биполярного транзистора, поэтому транзистор управляется более высоким током всякий раз, когда напряжение на инвертирующем входе падает ниже напряжения на неинвертирующем входе, который подключен к опорному напряжению при стабилитрон. Результирующее выходное напряжение может быть отрегулировано до произвольного значения между U _Зенер и (почти) входное напряжение.

Рисунок 5:
При замене NPN-транзистора на PNP- или p-канальный MOSFET инвертирующий вход должен быть подключен к опорному напряжению, а неинвертирующий вход должен быть подключен к потенциометру. Это петля отрицательной обратной связи. Падение напряжения этого типа регулятора ниже, чем в приведенной выше схеме, потому что проходной транзистор полностью переходит в насыщение за счет подачи отрицательного напряжения между базой (затвором) и коллектором (стоком). Напряжение между эмиттером и коллектором (истоком и стоком), которое является минимальным падением напряжения, обычно составляет всего несколько милливольт. это регулятор с малым падением напряжения (LDO) .

Рассеиваемая мощность

Линейный источник питания регулирует выходное напряжение, постоянно рассеивая мощность на проходном транзисторе. Если входное напряжение 12 В, а выходное напряжение всего 5 В, а к выходным зажимам подключена нагрузка 100 Ом, то для мощности, рассеиваемой транзистором, получим:

I = 5 В / 100 Ом = 50 мА
P _выход = 5 В * 50 мА = 250 мВт
стр. _{Транзистор} = 7 * 50 мА = 350 мВт

Мощность, рассеиваемая транзистором, выше, чем требуется для работы нагрузки. Raspberry Pi потребляет мощность примерно 2 Вт при входном напряжении 5 В, следовательно, 2,8 Вт электроэнергии рассеивается линейным регулятором при работе крошечного компьютера с батареей 12 В. Для предотвращения перегрева силового транзистора схемы требуется большой радиатор.

Импульсный регулятор

Рис. 6:
В этой схеме левый операционный усилитель работает как триггер Шмитта. Выходное напряжение не такое плавное, как на верхней схеме. Он колеблется с амплитудой примерно 1,0 В, в зависимости от значений сопротивления R ₄ и R ₅ . P-канальный MOSFET полностью открывается, когда входное напряжение триггера Шмитта достигает нижнего порога, и полностью закрывается, когда достигается верхний порог, поэтому транзистор проводит очень мало времени в переходах с высоким рассеянием. , поэтому потери энергии сведены к минимуму.

В идеале эта схема не рассеивает мощность, однако в реальном мире всегда есть потери. Скорость нарастания операционного усилителя ограничивает время, необходимое для изменения состояния переключения транзистора (скорость нарастания которого тоже не бесконечна), а ток переключения всегда вызывает некоторый шум, который также ухудшает эффективность. Второй операционный усилитель используется для небольшого повышения эффективности за счет уменьшения обратной связи между входом и выходом триггера Шмитта. С ₁ требуется для буферизации электроэнергии в выходной цепи. Чем выше емкость, тем ниже частота переключения транзистора.

Размеры схемы, пригодной для демонстрационных целей:
Операционный усилитель: LM324N (четверное устройство)
МОП-транзистор с каналом P: IRF9Z34N
C ₁ : электролитический конденсатор 1000 мкФ
D ₁ : Стабилитрон 3,0 В
R ₁ : 1 кОм
р ₂ : 12 кОм
R ₃ : 12 кОм
R ₄ : 1 МОм
R ₅ : 12 кОм
P ₁ : 100 кОм
Чем ниже значение R ₅ , тем ближе пороги срабатывания триггера Шмитта и, следовательно, более плавный выходной сигнал, но выше частота коммутации и, следовательно, потери.
Рисунок 7:
Осциллограмма схемы:
Желтая кривая: выходное напряжение
Красная кривая: базовое напряжение MOSFET
. всякий раз, когда выходное напряжение падает ниже 4,6 В, включается P-канальный МОП-транзистор. Теперь C ₁ заряжается до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение 6 В, и MOSFET снова выключится.

Искажения

Рисунок 8:
Стабилизатор напряжения не может компенсировать искажения во входной или выходной цепи без запаздывания. Например, электродвигатель, подключенный к выходной цепи, вызывает пики напряжения всякий раз, когда одна из его катушек индуктивности резко отключается коммутатором. На постоянное напряжение накладывается нежелательная доля переменного тока. Простой способ минимизировать эти искажения — подключить конденсатор параллельно выходным зажимам. Чем выше емкость устройства, тем лучше эффект. Электролитические конденсаторы — это дешевые устройства с высокой емкостью, поэтому они подходят для отделения нежелательных компонентов переменного тока от постоянного напряжения.

Небольшое нежелательное остаточное периодическое изменение выходного постоянного тока источника питания называется пульсацией .

Как объяснялось в главе о RC-цепях, фильтр нижних частот можно использовать для блокировки высокочастотных сигналов переменного тока. Чем выше сопротивление или емкость линейной цепи, тем лучше характеристика фильтра. Микросхемам часто требуется очень плавное постоянное напряжение, в то время как они потребляют лишь небольшой ток, поэтому фильтр нижних частот является дешевым и эффективным способом устранения доли переменного тока во входном напряжении. Но помните, что напряжение на выводах питания ИС зависит от тока питания при подключении к фильтру нижних частот (резистор увеличивает внутреннее сопротивление источника питания ИС). Типичное значение для резистора составляет 10 Ом.

Рисунок 9:
Фильтр нижних частот с резистором 100 Ом и конденсатором 470 нФ (слева) соответственно с резистором 10 Ом и конденсатором 470 нФ (справа).
Желтая кривая: без фильтрации
Красная кривая: фильтр нижних частот

При замене резистора катушкой индуктивности с малым внутренним сопротивлением (большой диаметр намотанной проволоки) схема также является эффективным развязывающим фильтром. Для этой цели обычно используются небольшие катушки изолированного провода, часто намотанные на магнитный сердечник, поскольку они очень дешевы и не имеют значительного последовательного сопротивления. Этот тип пассивной катушки индуктивности называется дроссель . Чем ниже частота фракции переменного тока, тем больше размеры дросселя, следовательно, они подходят для фильтрации очень высоких частот.
Другим преимуществом использования LC-фильтра является эффективность: электрическая энергия преобразуется в тепло на резисторе RC-фильтра, в то время как при использовании LC-фильтра она сохраняется внутри магнитного поля катушки индуктивности. Учитывая небольшую пульсацию, полная энергия, рассеиваемая резистором, обычно незначительна.
Рисунок 10:
RC против LC фильтрации:
Желтая кривая: RC фильтр
Красная кривая: фильтр LC
Омическое сопротивление используемой катушки индуктивности явно ниже 10 Ом, что соответствует значению резистора на RC-фильтре, однако LC-фильтр более эффективен. Частота сигнала переменного тока составляет всего 330 Гц, поэтому был использован большой «дроссель»: это тороидальный трансформатор.

Постоянный ток

Иногда приложение требует постоянного тока вместо постоянного напряжения. Например, электролиз — это метод использования постоянного электрического тока для запуска химической реакции, которая в противном случае не могла бы протекать самопроизвольно. Хромирование – это метод гальванического нанесения тонкого слоя хрома на металл.
Пока сопротивление нагрузки постоянно, ток, протекающий через выходные зажимы регулятора напряжения и, следовательно, через нагрузку, также остается постоянным.

Если сопротивление нагрузки уменьшается, напряжение поддерживается на постоянном уровне, а ток увеличивается. Схема регулятора должна быть изменена, чтобы получить другой тип обратной связи: с уменьшением сопротивления нагрузки выходное напряжение схемы также должно уменьшаться:

Рисунок 11:
Падение напряжения на стабилитроне постоянно, поэтому потенциал между эмиттером и базой зависит от падения напряжения на R ₂ и, следовательно, от тока, протекающего через устройство.

Для корреляции между напряжением эмиттер-база и током, протекающим через выходную цепь и, следовательно, через нагрузку:

U _EB = U _Z — I * R ₂

Где находится:
У _EB — Напряжение эмиттер-база
U _Z — Напряжение на стабилитроне
R ₂ — Резистор
I — Ток через выходную цепь

Имеется петля отрицательной обратной связи: Если ток, протекающий через выходную петлю и так далее через R ₂, увеличивается, вызванный уменьшением сопротивления нагрузки, напряжение эмиттер-база уменьшается ( помните, что напряжение стабилитрона постоянно, а потенциал на эмиттере увеличивается), следовательно, сопротивление линии эмиттер-коллектор транзистора увеличивается, уравновешивая уменьшающееся сопротивление нагрузки. Увеличение входного напряжения также вызовет увеличение тока через нагрузку, что также уравновешивается увеличением сопротивления транзистора.
Базовое напряжение составляет около 0,6 В, поэтому для тока, протекающего через выходную цепь, мы получаем:

I = (U _Z — 0,6 В) / R ₂

При включении потенциометра параллельно стабилитрону можно плавно регулировать ток. Учитывайте максимальную рассеиваемую мощность резистора:

P _Макс. = (U _Z — 0,6 В) ² / R ₂
или
R ₂ = (U _Z — 0,6 В) ² / P _Макс.

Рисунок 12:
Операционный усилитель усиливает разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входом с высоким коэффициентом усиления, поэтому выходное напряжение увеличивается до тех пор, пока разность потенциалов между обоими входными клещами не станет почти нулевой (напряжение на неинвертирующем входе равно постоянный).