Лабораторный блок питания с регулируемым напряжением от 5 до 100В (0,2А)

В практике радиолюбителя время от времени возникает необходимость в стабилизированном постоянном напряжении, превышающем традиционные 5… 15 В, применяемые для питания аппаратуры на микросхемах. В таких случаях поможет описываемое устройство.

Технические характеристики источника

• Интервалы выходного напряжения, В — 5…55, 50…100;
• Максимальный выходной ток, мА ………………..200;
• Уровень ограничения выходного тока, мА…………..250;
• Пульсации выходного напряжения, мВ, не более …….10;
• Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения сети в пределах 190…240 В и выходного тока 0…200 мА, %, не более ………………..0,1.

Высокая стабильность обеспечена применением в качестве источника образцового напряжения и усилителя сигнала рассогласования микросхемы КР142ЕН19А [1].

Принципиальная схема

Схема источника питания приведена на рис. 1. Его выпрямитель собран по схеме с удвоением напряжения на диодах VD1 и VD2, которые для снижения уровня коммутационных помех зашун-тированы конденсаторами С1 и С2. Чтобы уменьшить мощность, рассеиваемую на транзисторах стабилизатора, при работе в интервале 5…55 В отключают часть вторичной обмотки трансформатора Т1 переключателем SA2.

Транзистор VT2 служит генератором тока. Напряжение на его базе стабилизировано светодиодом HL1, значение тока коллектора (8…9 мА) задает резистор R2. Через делитель из резисторов R4-R8 часть выходного напряжения стабилизатора поступает на управляющий вход микросхемы DA1.

Если напряжение здесь менее 2,5 В, анодный ток микросхемы и коллекторный ток транзистора VT1 не превышают 0,4 мА. Благодаря этому транзистору, включенному по схеме с общей базой, напряжение на аноде микросхемы DA1 не превышает 3,3 В, а рассеиваемая ею мощность не выходит за допустимое значение.

В этом режиме почти весь коллекторный ток транзистора VT2 поступает в базу транзистора VT4 открывая последний. Напряжение на выходе стабилизатора и на входе управления микросхемы DA1 растет.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного блока питания.

Когда последнее достигнет 2,5 В, анодный ток DA1, а с ним и коллекторный ток транзистора VT1 резко возрастет, ток базы транзистора VT4 уменьшится и напряжение на выходе источника будет стабилизировано на уровне, определяемом соотношением сопротивлений резисторов R4-R8. Плавно регулируют выходное напряжение переменным резистором R5, интервал регулировки выбирают с помощью переключателя SA2.

Транзистор VT3 нормально закрыт. Но при увеличении тока нагрузки и коллекторного тока транзистора VT4 примерно до 250 мА падение напряжения на резисторе R10 достигает значения, при котором транзистор VT3 открывается, шунтируя светодиод HL1. Это приводит к уменьшению коллекторных токов транзисторов VT2 и VT4.

В результате выходной ток стабилизатора оказывается ограниченным указанным выше значением. О срабатывании ограничителя тока можно судить по уменьшению яркости свечения светодиода.

Когда в результате действия ограничителя напряжение на выходе стабилизатора снизится примерно до 2,7 В, текущий по цепи HL1R1 ток пойдет в нагрузку через открывшийся диод VD4, несколько увеличивая суммарный протекающий через нее ток. Если бы диода VD4 не было, в результате изменения полярности приложенного напряжения открылся бы коллекторный переход транзистора VT1 и ток, текущий через R1, направился бы в базу транзистора VT4. В результате усиления транзистором VT4 приращение тока нагрузки было бы гораздо большим.

Имеется возможность полностью устранить эффект увеличения тока с помощью диода, включенного в разрыв цепи, соединяющей коллектор транзистора VT1 с базой транзистора VT4 и коллектором транзистора VT2. Но в таком случае транзисторы VT1 и VT2 нельзя будет устанавливать на общий теплоотвод без изолирующих прокладок.

Следует рассказать о назначении диодов VD5 и VD6 Предположим, переключатель SA2 находится в положении “50…100 В”, а на выходе установлено минимальное напряжение (движок переменного резистора R5 — в верхнем по схеме положении). После перевода переключателя SA2 в положение “5…55 В» напряжение 50 В, до которого заряжен конденсатор С7, оказывается приложенным к резисторам R6-R9, причем более его половины (около 30 В) — к управляющему входу микросхемы DA1.

Последняя из строя не выйдет, но по внутренним цепям микросхемы это напряжение попадет на ее анод и на эмиттер транзистора VT1, закрывая последний. В результате весь коллекторный ток транзистора VT2 потечет в базу транзистора VT4 и на выходе стабилизатора появится максимально возможное напряжение. К сожалению, это состояние устойчиво и самостоятельно стабилизатор выйти из него не сможет

Диод VD5 служит для исключения подобной критической ситуации. Открываясь, он ограничивает напряжение на входе микросхемы DA1 допустимым значением. Правильный выбор напряжения стабилизации стабилитрона VD3 и номиналов резисторов R7 и R8 гарантирует, что в нормальном рабочем режиме диод VD5 остается закрытым и не влияет на работу стабилизатора.

При резком изменении положения органов управления в сторону уменьшения выходного напряжения возможна ситуация, когда за счет медленной разрядки конденсатора С7 напряжение на эмиттере транзистора VT4 “не поспевает” за напряжением на его базе.

Возникает опасность пробоя эмиттер-ного перехода транзистора напряжением, приложенным к нему в обратном направлении. Диод VD6 предотвращает этот обратимый, но нежелательный пробой. Конденсатор С7 разряжается по цепи VD6, VT1, R3, DA1 Благодаря резистору R3 ток разрядки не превышает 100 мА.

Детали и конструкция

В блоке питания применен унифицированный трансформатор ТПП271-127/220-50 [2] с габаритной мощностью 60 Вт Подобные трансформаторы меньшей мощности имеют слишком большие для работы в предлагаемом устройстве активные сопротивления обмоток.

Для некоторого уменьшения напряжения на вторичных обмотках трансформатора выводы его первичных обмоток соединены нестандартным образом. При самостоятельном изготовлении трансформатора следует ориентироваться на указанные на рис 1 напряжения холостого хода вторичных обмоток. Сечения обмоточных проводов должны быть достаточно большими, чтобы сопротивления обмоток были примерно такими же, как у указанного трансформатора: 1-9 — 56 Ом, 13-16 -2,3 0м, 17-18 — 1,З Ом.

Все постоянные резисторы в устройстве — С2-23 или МЯТ соответствующей мощности, R5 — ПП3-40. Конденсаторы С1 и С2 — керамические на напряжение не менее 160 В, например, КМ-5 группы ТКЕ не хуже М1500.

С3, С4, С7 — импортные аналоги К50-35, С6 — КМ-5 или КМ-6, С5 и С8 — К73-17 на напряжение 250 В. Диоды 1N4007 имеют отечественный аналог — КД243Ж, можно использовать любые диоды на напряжение не менее 200 В и ток 300 мА. Вместо КД509А можно установить любые диоды с допустимым импульсным током не менее 300 мА.

Коэффициенты передачи тока h31э у всех мощных транзисторов должны быть не менее 30, причем этот параметр транзистора VT4 следует проверять при токе коллектора 200 мА. Замену транзисторам VT1, VT2 и VT4 нужно подбирать с предельным напряжением коллектор — эмиттер не менее 160 В и допустимым током коллектора не менее 100 мА (VT1 и VT2) и 1 A (VT4).

Транзистор VT3 — любой кремниевый маломощный структуры p-n-p. Светодиод HL1 — любой видимого свечения. Чтобы сохранить неизменным коллекторный ток транзистора VT2 при установке светодиода HL1 зеленого или желтого цвета придется, возможно, немного увеличить номинал резистора R2.

Микросхему КР142ЕН19А можно заменить импортным аналогом TL431.

Основная часть деталей источника питания размещена на печатной плате размерами 50×75 мм из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 2, вид со стороны печатных проводников). На ней же находится общий ребристый теплоотвод транзисторов УИ и VT2 размерами 20x24x38 мм.

Транзистор VT4 устанавливают на отдельном ребристом теплоотводе размерами 36x100x140 мм. Диод VD6 припаивают непосредственно к выводам этого транзистора.

Подключать собранное устройство к сети в первый раз желательно через лабораторный регулируемый автотрансформатор, на выходе которого предварительно установлено нулевое напряжение. Движок переменного резистора R5 должен находиться в положении минимального сопротивления, переключатель SA2 — в положении “5 ..55 В».

К выходу источника подключают вольтметр и убеждаются, что по мере вращения рукоятки автотрансформатора в сторону увеличения напряжения показания вольтметра растут, но, дойдя приблизительно до 5 В, остаются на этом уровне.

Если это так, можно довести входное напряжение до номинальных 220 В и проверить напряжение на некоторых элементах устройства.

На катоде стабилитрона VD3 оно должно быть близким к напряжению его стабилизации (3,9 В), на верхнем по схеме выводе резистора R7 — приблизительно 3,3 В. Падение напряжения на резисторе R2 должно составлять около 1,1 В, если оно больше, следует увеличить номинал указанного резистора таким образом, чтобы текущий через него ток был в пределах 8 9 мА.

Резисторы R4, R6, R8 подбирают в следующем порядке. При переключателе SA2, находящемся в положении “5…55 В”, устанавливают с помощью переменного резистора R5 максимальное напряжение на выходе источника.

Рис. 2. Печатная плата лабораторного источника питания.

Подбирают резистор R8 таким образом, чтобы оно было немного больше 55 В. Переводят движок резистора R5 в другое крайнее положение и, подбирая резистор R6, добиваются выходного напряжения немного меньше 5 В. Затем переводят переключатель SA2 в положение “50. .. 100 В” и подбирают резистор R4, добиваясь указанных пределов регулировки выходного напряжения резистором R5.

Следует обязательно проверить работу источника питания с максимальной нагрузкой. Если на каком-либо диапазоне при максимальном выходном напряжении увеличение тока нагрузки приводит к снижению этого напряжения, дело в недостаточном напряжении на соответствующей вторичной обмотке или слишком большом сопротивлении обмоток.

Миллиамперметр для контроля выходного тока можно включить в разрыв провода, идущего от эмиттера транзистора VT4 к другим элементам схемы (кроме диода VD6). Так как через прибор в этом случае кроме тока нагрузки, будет течь и ток делителя R4-R8, стрелку миллиамперметра следует установить на ноль корректирующим винтом при включенном, но работающем без нагрузки источнике.

Устройство можно дополнить переключателем уровня ограничения выходного тока (рис. 3). Сопротивление введенной части цепи резисторов R10-R13 должно быть таким, чтобы при предельном токе на ней падало напряжение около 0,6В.

Стабилизатор напряжения по приведенной схеме нетрудно рассчитать на любой интервал регулировки выходного напряжения с верхним пределом 50…500 В. Транзисторы (кроме VT3) следует выбрать примерно с полуторакратным запасом по напряжению относительно максимального выходного.

Рис. 3. Переключатель уровня ограничения выходного тока.

Генератор тока на транзисторе VT1 должен выдавать ток примерно в 1 2 раза больше максимального выходного тока стабилизатора, деленного на коэффициент h31э транзистора VT4. При расчетном выходном токе более 1 А в качестве VT4 необходим составной транзистор. Токи через резистор R1 и делитель R4-R8 могут быть выбраны в пределах 4…10 мА.

Если стабилизатор проектируют на фиксированное или регулируемое в небольших пределах выходное напряжение диоды VD4 и VD6 можно не устанавливать.

С. Бирюков, г. Москва. Р2001, 7.

Лиетература:

1. Янушенко Е. Микросхема КР142ЕН19.- Р1994, 4.
2. Сидоров И. Н., Мукосеев В. В., Христинин А. А. Малогабаритные трансформаторы и дроссели.  Справочник — М. Радио и связь 1985.

Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике

Кажущаяся простота и очевидность применения резисторов создает у разработчиков силовой преобразовательной аппаратуры обманчивое впечатление малого влияния резисторов, как крайне простых, с точки зрения схемотехники, приборов на результирующую надежность разрабатываемого устройства. Однако это не так, и применение резисторов, как и любых других компонентов, требует тщательного подхода к выбору типов и обеспечению благоприятных условий работы.

Для лучшего понимания особенностей работы резисторов обратимся к базовым понятиям. Резистор, как элемент электрической цепи, служит для создания сопротивления протеканию электрического тока. В идеальном случае работа резистора определяется фундаментальным законом, установленным немецким физиком Георгом Симоном Омом и носящим его имя:

где R — электрическое сопротивление участка цепи; U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

При протекании тока через резистор энергия упорядоченного движения носителей заряда превращается в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве за счет теплопередачи и излучения. Мощность, выделяемая в резисторе, может быть определена по формуле, следующей из закона Ома:

или

Здесь P — мощность, выделяемая в участке цепи; R — электрическое сопротивление участка цепи;

U — напряжение, приложенное к участку цепи; I — ток, протекающий в цепи.

Мощность, выделяемая в резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов — как собственно резистивного элемента, так и его арматуры. Именно максимальная температура наиболее горячего участка резистора определяет ту мощность, которую резистор способен рассеивать.

В зависимости от условий, в которых находится резистор (температура, влажность, давление окружающего воздуха и скорость его движения), одна и та же рассеиваемая мощность вызывает различный прирост температуры прибора, поэтому при выборе резистора важно не только определить выделяемую мощность, но и условия его работы.

Номинальная мощность резистора определяется как мощность, рассеиваемая прибором без превышения предельно допустимой температуры при естественном воздушном охлаждении на высоте 0 м над уровнем моря при температуре воздуха 25 °С.

При эксплуатации резистора следует помнить, что выделяемая мощность имеет квадратичную зависимость от приложенного к резистору напряжения или от протекающего тока (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость выделяемой мощности от напряжения (тока) резистора

Это означает, что небольшой рост напряжения или тока в цепи вызовет существенный рост рассеиваемой мощности, которая может превзойти максимально допустимую для примененного резистора, что приведет к выходу прибора из строя. Поэтому при выборе резистора важно не только знать номинальные ток и напряжение для него, но и учитывать возможные продолжительные отклонения, в частности из-за колебаний напряжения питающей сети.

Если мощность, рассеиваемая резистором, постоянна, то через некоторое время температура резистора стабилизируется (когда количество тепла, выделяемого в резисторе, станет равным количеству тепла, отдаваемого резистором в окружающую среду посредством излучения, конвекции и теплопередачи конструкции). Чем больше физический размер резистора, тем эффективнее происходит процесс отдачи тепла и тем ниже будет равновесная температура при одной и той же выделяемой мощности. Кроме того, эффективность излучения, конвекции и теплопередачи существенно зависит от конструкции резистора, применяемых материалов и условий охлаждения.

Приводимые в справочных материалах величины максимальной рассеиваемой мощности резисторов относятся к условиям естественного охлаждения. На сегодняшний день существует ряд стандартов, регламентирующих метод определения максимально допустимой мощности рассеяния резисторов исходя из температуры перегрева наиболее горячего участка резистора. Ведущие производители мощных резисторов (Danotherm, Ohmite, Arcol, SIR и др.) при нормировании мощности своих приборов обычно руководствуются рекомендациями National Electrical Manufacturers Association (NEMA) и Underwriters Laboratories, Inc. (UL). Согласно таковым, максимально допустимая мощность при естественном охлаждении для резистора заданных физических характеристик и размеров, определяется как мощность, вызывающая температуру (измеренную термопарой) перегрева наиболее горячего участка резистора в 300 °С при температуре окружающего воздуха 40 °С. Измерение производится при неподвижном воздухе в условиях свободной конвекции и удалении резистора от ближайшего объекта (в частности, стен, панелей, приборов) не менее чем на 35 см.

Несколько иные условия измерений определяет стандарт MIL-R-26, первоначально разработанный для проволочных резисторов военного и аэрокосмического применения, а затем распространенный и на приборы промышленного и коммерческого назначения. Согласно этому стандарту максимальная температура нагрева наиболее горячего участка резистора устанавливается равной 350 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С. Таким образом, соответствующая температура перегрева составляет 325 °С.

На рис. 2 показаны усредненные графики зависимости температуры перегрева резисторов по различным стандартам в зависимости от относительной рассеиваемой мощности.

Рис. 2. Зависимость температуры перегрева резистора от относительной рассеиваемой мощности

В первом приближении температура резистора зависит от площади его поверхности, а также (в меньшей степени) от ряда других факторов, таких как теплопроводность основания и покрытия резистора, эффективность излучения поверхности, отношения длины резистора к его диаметру, теплопередача через выводы и средства монтажа.

Максимально допустимая температура резистора будет определяться свойствами его конструктивных материалов и является предельной величиной, при превышении которой прибор может потерять работоспособность. В общем случае на данную величину можно ориентироваться только для расчета предельных режимов работы устройства.

В нормальных условиях эксплуатации следует принимать во внимание не только и не столько физическое функционирование резистора, но и другие параметры, такие как изменение сопротивления при росте температуры, нагрев окружающих резистор устройств за счет выделяемого им тепла, зависимость сопротивления от влажности окружающего воздуха (особенно для резисторов открытых типов), изменение характеристик при циклической нагрузке и т. п.

Если температура окружающей среды отличается (в сторону увеличения) от 25 °С (или 40 °С), то рассеиваемая резистором мощность должна быть соответственно снижена до значений, при которых не превышается максимально допустимая температура нагрева прибора. На рис. 3 изображены графики зависимости относительной рассеиваемой мощности резисторов от температуры окружающего воздуха согласно рекомендациям NEMA, UL и MIL-R-26 (U-EIA).

Рис. 3. Зависимость относительной мощности рассеяния резистора от температуры окружающего воздуха

При построении данных зависимостей принимается, что температура перегрева не зависит от величины температуры окружающей среды. Однако это не совсем верно. Точный расчет должен учитывать повышение эффективности излучения с ростом температуры согласно законам Стефана-Больцмана и Вина. Но вклад, вносимый за счет этого при невысоких температурах (до 1000–1500 °С) весьма невелик, и его можно не учитывать в подавляющем большинстве конструктивных расчетов.

Для некоторых типов резисторов в справочных данных указывается предельно допустимая тепловая нагрузка поверхности. Для большинства типов проволочных резисторов она составляет от 0,7 Вт/см² (для резисторов большого размера на мощности более 150–200 Вт) до 2 Вт/см² (для небольших резисторов с мощностью 10–20 Вт). Эту величину удобно использовать при расчете работы резистора в качестве нагревательного элемента.

Следует обратить внимание на то, что в рекомендациях по определению максимальной мощности резисторов не указано расположение резистора относительно поверхности земли. Но имеется точное указание на то, что температура измеряется для наиболее горячего участка резистора. У горизонтально расположенного трубчатого проволочного резистора с равномерной намоткой резистивного элемента температура в районе середины прибора может быть в 1,5–2,5 раза выше, чем температура у торцов (в зависимости от способа крепления). При вертикальном расположении зона максимального нагрева смещается вверх на 3–10% длины резистора, а верхний торец имеет бульшую температуру, чем нижний. Это вызывает некоторое увеличение механических напряжений в конструкции прибора и может снизить его надежность. Поэтому при прочих равных условиях всегда следует предпочитать горизонтальное расположение резисторов, за исключением специально предназначенных для вертикального монтажа приборов, например в теплоотводящих корпусах из алюминиевого профиля. Для ряда особых случаев применения (например, в качестве равномерного источника тепла) выпускаются специальные резисторы с неравномерной намоткой резистивного элемента (более частая у краев и редкая в середине), у которых температура практически постоянна по всей длине прибора.

Рассмотрим подробнее основные факторы, определяющие температуру резистора, либо, с другой стороны, требуемую величину номинальной мощности, при которой температура не превышает заданной:

1. Температура окружающей среды

Повышение температуры окружающей среды вызывает соответствующее снижение допустимой температуры перегрева и соответствующей ей мощности рассеяния. График зависимости относительной допустимой мощности рассеяния от температуры окружающей среды приведен выше, на рис. 3. Если температура окружающей среды ниже той, для которой была определена максимальная мощность рассеяния (25 °С или 40 °С), то в ряде случаев можно допустить повышение максимальной мощности выше типовой величины, но при этом необходимо дополнительно уточнять возможности резистора по работе с токами, превышающими номинальный. Превышение тока резистора в данном случае может вызвать не увеличение его температуры выше предельно допустимой, а разрушение внешних и внутренних контактов (места соединения резистивного элемента с выводами) и локальные перегревы и плавление резистивного элемента.

2. Монтаж в закрытом корпусе

Монтаж резистора в корпусе ухудшает условия отвода тепла за счет излучения (часть излучения отражается стенками корпуса, остальная часть излучается как в окружающее, так и во внутреннее пространство корпуса), а также за счет конвекции (корпус нарушает конвекционный ток воздуха и преграждает доступ холодного воздуха к резистору). Существенное влияние на температуру резистора, помещенного в корпус, оказывают размер, толщина стенок, их материал и наличие перфорации и окраски поверхности. Ухудшение условий работы резистора при помещении в корпус хорошо демонстрируют графики на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость температуры перегрева резистора от мощности при монтаже в свободном пространстве и в корпусах разного размера

3. Монтаж групп резисторов

Резисторы, монтируемые на малом расстоянии друг от друга, при работе разогреваются сильнее, чем одиночный резистор при такой же рассеиваемой мощности (на каждом из резисторов группы). Это происходит за счет взаимного нагрева резисторов излучением и увеличением количества тепла, приходящегося на единицу объема охлаждающего воздуха при естественной конвекции. Для того чтобы температура резисторов, работающих в группе, не превысила допустимого значения, необходимо снижать мощность, приходящуюся на каждый из приборов по отношению к максимально допустимой для одного свободно установленного резистора. Рис. 5 дает представление о порядке требуемого снижения мощности рассеяния на каждом из резисторов в зависимости от количества резисторов в группе и расстояний между ними.

Рис. 5. Зависимость допустимой мощности рассеяния каждого резистора в группе от количества резисторов и расстояний между ними

4. Высота над уровнем моря

Количество тепла, отводимого от резистора за счет конвекции воздуха, зависит от плотности последнего. Чем более разрежен воздух, тем меньшее количество тепла он способен отвести. При подъеме в атмосфере плотность воздуха снижается, а это означает, что максимальная мощность рассеяния резисторов будет снижаться. На высотах более 20 000 м плотность воздуха уже настолько мала, что конвективный отвод тепла перестает играть сколько-нибудь заметную роль в общем тепловом балансе резистора и тепло отводится только за счет излучения и теплопередачи элементам конструкции. На рис. 6 представлен график зависимости относительной мощности рассеяния резистора от высоты его размещения (над уровнем моря).

Рис. 6. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от высоты над уровнем моря

5. Работа в импульсных режимах

Если ток через резистор протекает не постоянно, а в течение определенных интервалов времени, а в остальные моменты резистор обесточен, то количество тепла, выделяемое в течение значительного промежутка времени, будет меньше, чем при непрерывной работе. «Усреднение» по времени происходит за счет теплоемкости конструкции, монтажных элементов и окружающего воздуха. В результате температура резистора не превышает максимально допустимую даже при импульсных мощностях, многократно превышающих максимальную мощность непрерывного режима. Величина допустимой импульсной мощности зависит как от конструктивных особенностей резистора (теплоемкость и теплопроводность конструкции), так и от длительности импульса и соотношения длительностей импульса и паузы (скважности). На рис. 7 приведены зависимости относительной допустимой импульсной рассеиваемой мощности для резисторов различных типов, определенные согласно рекомендациям NEMA для пусковых и тормозных резисторов.

Рис. 7. Зависимость относительной импульсной допустимой мощности рассеяния резистора от скважности импульсов тока для стандартного пускового режима электродвигателя

Для ряда типов резисторов импульсная мощность ограничена не допустимым перегревом, а максимальной величиной рабочего тока резистора, при превышении которой возможны повреждения резистивного элемента и выводов за счет локальных перегревов.

Графики на рис. 8 дают представление о процессе нагрева резисторов разных типов импульсом тока и построены в координатах времени импульса, необходимого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры и импульсной мощности.

Рис. 8. Зависимость времени, требуемого для нагрева резистора до максимально допустимой температуры от относительной импульсной рассеиваемой мощности

С помощью зависимостей, представленных на рис. 9, можно определить соотношение длительностей импульса и паузы тока через трубчатые резисторы, нагревающего приборы до максимально допустимой температуры для различных абсолютных длительностей и различных относительных импульсных мощностей (в процентах от максимально допустимой мощности рассеяния непрерывного режима).

Рис. 9. Зависимость времен импульса и паузы тока и их соотношений, требуемых для разогрева резистора до максимально допустимой температуры от импульсной мощности

Рассмотренные выше особенности импульсных режимов относятся к типовым импульсным режимам, имеющим место при применении резисторов в цепях пуска и торможения электродвигателей, где времена воздействия значительных токов исчисляются единицами и десятками секунд, а паузы — от единиц секунд до многих часов.

Для импульсных токов малых длительностей (0,1–0,5 с и менее) импульсные характеристики будут существенно отличаться от приведенных выше, поскольку в большей мере будут определяться теплофизическими свойствами резистивного элемента, нежели теплоемкостью всего резистора в целом. При еще меньших длительностях импульсов (менее единиц миллисекунд) важную роль начинает играть индуктивность резистора, увеличивающая полное сопротивление резистора в области малых времен. Для применения на частотах более 1–3 кГц (длительности импульсов менее 1 мс) изготавливаются специальные резисторы с бифилярной намоткой, резко снижающей собственную индуктивность резистора, либо поверхностные и объемные резисторы на основе проводящих пленок.

6. Принудительное охлаждение

Принудительный обдув резисторов резко увеличивает количество охлаждающего воздуха по сравнению с естественным конвективным потоком и, тем самым, позволяет повысить эффективность отвода выделяемого тепла. Это очень простой и крайне эффективный способ повышения допустимой мощности рассеяния резисторов. На рис. 10 приведена зависимость относительной допустимой мощности рассеяния от скорости воздуха, охлаждающего резистор.

Рис. 10. Зависимость относительной допустимой мощности рассеяния резистора от скорости охлаждающего воздуха

Об эффективности этой простой меры можно судить хотя бы по тому, что при скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. Если резисторы работают, например, в системах реостатного торможения электроподвижного состава, то с целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного обдува, а связанного с процессом торможения, когда вентиляторы подключаются параллельно тормозному резистору или его отводу. Такие схемы охлаждения тормозных резисторов применены на ряде магистральных электровозов отечественного и зарубежного производства.

7. Ограничение температуры резисторов

В ряде случаев, с целью повышения надежности и увеличения срока аппаратуры, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в 2 раза по отношению к максимально допустимой увеличивает надежность работы резистора от 4 до 100 раз (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри устройства, в котором резистор установлен, что также является крайне благоприятным фактором. К сожалению, снижение температуры тепловыделяющих элементов, при прочих равных условиях, всегда связано с увеличением их физических габаритов, поэтому данную меру можно рекомендовать, только если это допускается массогабаритными показателями аппаратуры.

Учитывая все вышесказанное, для первичного выбора резистора можно рекомендовать воспользоваться данными мнемонической таблицы, приведенной на рис. 11. В каждой из 7 граф таблицы приведены значения коэффициентов для различных условий окружающей среды и режима работы. Если известна (из расчета электрической схемы) мощность, рассеиваемая на резисторе, то, умножив ее на коэффициенты, определенные из таблицы и соответствующие условиям и режимам работы, можно получить величину номинальной мощности резистора, который следует применить в данной схеме в данных условиях.

Рис. 11. Таблица для определения требуемой номинальной мощности резистора

В качестве примера определим номинальную мощность резистора для системы пуска электродвигателя. Импульсная мощность, выделяемая на резисторах согласно расчету, составляет 1 кВт (300% от номинальной), рассеивается на группе из 4 резисторов (250 Вт на резистор), температура окружающего воздуха составляет +60 °С, резисторы смонтированы в открытой стойке, расстояние между резисторами 5 см, предполагается возможность работы устройства на высоте до 4000 м над уровнем моря, охлаждение естественное конвекционное, температура резисторов ограничена величиной 250 °С.

Определяем из таблицы соответствующие коэффициенты:

Номинальная мощность каждого из резисторов группы составит:

Таким образом, номинальная мощность каждого из резисторов в группе должна составлять не менее 160 Вт.

Разумеется, расчет номинальной мощности с помощью данной таблицы является приблизительным, поскольку не учитывает многие дополнительные факторы, тем не менее, его погрешность достаточно невелика и позволяет быстро определить мощность требуемого резистора, а исходя из нее — и конкретный тип применяемого прибора.

Несмотря на то, что резисторы, по сути, являются простейшими элементами электрических цепей, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность, себестоимость и эксплуатационные качества аппаратуры, а правильный выбор резисторов для силовых преобразовательных устройств, выполненный на этапе проектирования, во многом определит коммерческую судьбу аппаратуры.

При подготовке статьи были использованы информационные материалы компаний Danotherm (Дания), Arcol (Великобритания), Ohmite (США), S.I.R. (Италия).

Литература

1. www.danotherm.com/
2. www.ohmite.com/
3. www. sirresistor.it/
4. www.arcolresistors.com/
5. Резисторы: Справочник / Под ред. И. И. Чертверткова. М.: Энергоиздат. 1981.
6. ГОСТ 24238-84 Резисторы постоянные. Общие технические условия.
7. ГОСТ 28608-90 (МЭК 115-1-82) Резисторы постоянные для электронной аппаратуры.

WAZIPOINT

Fig-Solar Panel Voltage Reduction Formula

2

Итак, если вы хотите уменьшить напряжение вашей солнечной панели, как мы можем уменьшить его сегодня?

Теперь, как мы собираемся вам сказать, в этом вам нужно два резистора, мы скоро скажем вам, сколько будет резистор.

Но перед этим вы должны знать, что вы также можете уменьшить любую солнечную панель или напряжение постоянного тока, используя эту формулу или это правило.

Здесь мы собираемся рассказать вам о двух способах: Используя первый способ, вы можете уменьшить напряжение постоянного тока или напряжение солнечной панели.

Например: если питание 20 вольт выходит из солнечной панели, вы можете сделать 10 напряжений или если батарея дает 6 вольт постоянного тока, то вы можете сделать это 3 вольта.

Способ уменьшения напряжения вдвое

Чтобы уменьшить напряжение любого источника постоянного тока или солнечной панели, нам понадобятся два резистора. Посмотрите на рисунок-1

R1-10 кОм,
R2- 10 кОм

Прежде всего, мы соединим оба этих резистора последовательно, а затем соединим один конец с + ve, и теперь мы можем снять половину напряжения с середине обоих резисторов. Как вы можете видеть на изображении ниже.

Уменьшение напряжения вдвое: 5 вольт до 2,5
Таким образом, применяя два резистора по 10 кОм, вы можете уменьшить любое количество вольт постоянного тока.

Стало вопросом уполовинивания напряжения но всегда уполовинивание напряжения не работает, иногда возникает необходимость уменьшить напряжение наполовину или более чем наполовину или на сколько хотите.

Итак, сейчас мы расскажем вам формулу, с помощью которой вы можете уменьшить любое постоянное напряжение на сколько угодно.

В этой формуле мы должны сохранить значение одного из резисторов R1 или R2 уже, тогда мы предполагаем, что у нас уже есть резистор R1, который имеет значение 10 кОм, и мы должны преобразовать 5 вольт в 3 вольта. Итак, теперь все, что нам нужно сделать, это найти R2, для которого мы будем использовать формулу. Посмотрите на рисунок-2.

R1 = 10 кОм
R2:?

входное напряжение: 5в
выходное напряжение: 3в это то, что нам нужно.

Формула извлечения R2

Когда мы удалим R2 с 5 вольтами и 3 вольтами по этой формуле, здесь получится R2 = 15 кОм, и тогда мы соединим эти два (R1 + R2) точно так же, как это было в предыдущих экзаменах. Он приведен на изображении ниже.

К настоящему моменту вы, должно быть, уже немного поняли, теперь давайте разберемся на другом примере.

В этот раз мы увидим 5 вольт на 1 вольт, опять по той же формуле извлечем R2, смотрите на цифру-3.

На этот раз пришло R2 = 2,5 кОм. Теперь, как и раньше, на этот раз мы также подключим оба резистора, как показано на изображении ниже.

Таким образом, мы можем уменьшить напряжение любого постоянного напряжения или солнечной панели вдвое или настолько, насколько мы хотим.

Надеюсь, вам понравился этот пост. Если вам понравился этот пост, подпишитесь на нас, чтобы поддержать нас.

Если у вас есть какие-либо вопросы или предложения, оставьте комментарий ниже.

4 шага к минимизации падений напряжения

Падение напряжения — это то, как снижается подводимая энергия источника напряжения при прохождении электрического тока через

.0081 пассивные элементы

(элементы, не подающие напряжение) электрической цепи. Предпочтительны падения напряжения на нагрузках и других активных элементах цепи, поскольку подводимая энергия выполняет полезную работу.

Падение напряжения более 5 % может снизить срок службы и эффективность работы электрических цепей и оборудования. Поэтому необходимо приложить усилия, чтобы падение напряжения не превышало 5%. Существует много способов свести к минимуму эти перепады напряжения, включая снижение температуры проводника, уменьшение длины проводника, увеличение количества/размера проводников или снижение силовой нагрузки.

 

1.  Уменьшение температуры проводника

Что касается потока энергии, высокие температуры проводников будут препятствовать потоку и приведут к увеличению процента падения напряжения. Решение этой проблемы простое, уменьшите температуру проводника, если хотите, чтобы падение напряжения было значительно меньше. Существует важная формула, связывающая сопротивление с температурой:

R2 = R1[1+a*(T2-T1)]

Где R — сопротивление, T — температура, а «a» — коэффициент электрического сопротивления Медь. Что вы можете получить из этого уравнения, так это то, что по мере уменьшения разницы между температурами сопротивление «а» также уменьшается.

 

2. Уменьшение длины проводника

Длина проводника напрямую зависит от подводимого сопротивления. Следовательно, когда длина проводника уменьшается, сопротивление также падает, что также приводит к снижению падения напряжения. Лучшим способом уменьшить проводник будет установка панелей и подпанелей рядом с внешними нагрузками. Этот тип панели рекомендуется для высокочувствительного электронного оборудования.

 

3.  Увеличение количества/размера проводников

Если увеличить количество/размер проводников, сопротивление уменьшится, что приведет к уменьшению падения напряжения и повышению эффективности. Это также может снизить общие потери мощности, связанные с проводниками стандартного размера. Вставка изолированного проводника может свести к минимуму падение напряжения, вызванное заземлением.

 

4.  Уменьшение мощности нагрузки

Другим способом снижения перепадов напряжения является уменьшение количества электрооборудования, подключенного к цепи.