R t = V out / V in (где Rt — коэффициент трансформации, Vin — входное напряжение, а Vout это среднеквадратичное выходное напряжение … равное пиковому напряжению с прямоугольным преобразователем)
R t = 230/12 = 1: 19,16

Выше не учитываются потери, и соотношение должно быть от 1:20 до 1:22 (для каждой первичной обмотки), чтобы учесть потери на полевых МОП-транзисторах и в обмотках трансформатора.Этот тип инвертора не имеет механизма регулирования, поэтому выходное напряжение будет изменяться в зависимости от нагрузки. Чтобы свести отклонения к минимуму, все потери должны быть минимальными.

Форма волны переменного тока колеблется в положительном и отрицательном направлении, поэтому размах напряжения вдвое превышает пиковое напряжение. Это достигается трансформатором, который имеет двойную первичную обмотку с центральным отводом. Из-за двойной первичной обмотки соотношение также может быть записано как 1 + 1: 20 (например). Соотношение, основанное на напряжении на всей первичной обмотке , составляет 1:10, а размах входного напряжения на самом деле составляет 24 В.Это напряжение на каждом переключающем MOSFET — оно варьируется от близкого к нулю до +24 В. Это простая теория трансформаторов — если вы не понимаете, прочтите статьи «Трансформаторы, часть 1» и «Трансформаторы», часть 2.

Чтобы обеспечить форму сигнала, имеющую такое же среднеквадратичное значение пикового напряжения и , что и в сети, нам необходимо изменить форму сигнала на показанную на рисунке 1B. Остальная часть схемы остается точно такой же, но коэффициент трансформации изменяется так, что создается пиковое напряжение.

R t = V пик / V дюйм
R t = 325/12 = 1: 27,08

Опять же, необходимо сделать поправку на коммутационное сопротивление и сопротивление обмотки трансформатора, поэтому окончательное соотношение будет около 1:30 для получения требуемого пикового напряжения 325 В для напряжения 230 В RMS под нагрузкой. Многие обычные нагрузки зависят от пикового напряжения, в частности, простые импульсные источники питания. К сожалению, невозможно регулировать пиковое напряжение с помощью базовой конструкции, но — относительно легко регулировать среднеквадратичное напряжение, просто изменяя ширину импульсов напряжения.По мере увеличения ширины импульса среднеквадратичное напряжение увеличивается, даже если пиковое напряжение может быть уменьшено.

Для сигнала с пиками ровно 325 В каждый положительный и отрицательный импульс должен иметь ширину ровно 5 мс. Это означает, что для сигнала с частотой 50 Гц (20 мс для одного полного цикла) напряжение будет таким, как показано на рисунке 3. Это тот же сигнал, что и на рисунке 1B, но увеличенный для ясности.

Рисунок 3 — Подробное описание модифицированной формы прямоугольной волны

Естественно, для сети 60 Гц синхронизация отличается, но существенная часть состоит в том, что период формы сигнала делится поровну на 4 дискретных сегмента, которые точно равны.Для 50 Гц период составляет 20 мс, поэтому форма волны состоит из сегментов 4 × 5 мс. Это может быть не сразу заметно, но это дает такое же пиковое / среднеквадратичное значение 1,414, что и синусоида. Среднеквадратичное значение составляет 230 В, а максимальное — 325 В (плюс-минус доли вольта). Искажение составляет довольно высокие 47% (THD), и, хотя его можно уменьшить, изменяя ширину импульсов, это приводит к изменению напряжения. Наилучший показатель искажения (28% THD) достигается, когда ширина импульса составляет около 7 мс (вместо 5 мс), но среднеквадратичное напряжение увеличивается до более 270 В.В целом, импульсы с одинаковой синхронизацией и мертвое время гораздо проще генерировать и дают довольно хороший общий результат.

Трансформатор требует другого коэффициента трансформации, как описано выше. За исключением генератора, схема инвертора идентична схеме, показанной на рисунке 2. Генератор должен быть более сложным для формирования сигнала, но это несложно и может быть выполнено множеством различных способов. Один из самых простых — использовать PIC (или любой другой программируемый микроконтроллер), что также означает, что стабильность частоты может быть очень хорошей, если в контроллере используется кварцевый генератор.

Регулировка среднеквадратичного напряжения может быть достигнута путем увеличения или уменьшения ширины импульсов напряжения, но пиковое напряжение не может регулироваться без крайней сложности схемы. Для простого инвертора, который подходит для многих распространенных нагрузок, дополнительные схемы никогда не будут добавлены, потому что схема больше не будет простой.

Поскольку среднеквадратичное значение легко регулировать, просто изменяя ширину импульсов, вы можете думать об этом как об очень (очень!) Грубой форме ШИМ (широтно-импульсной модуляции).Так оно и есть. Теоретически можно добавить фильтр, который будет давать на выходе приемлемую синусоиду, но из-за низкой частоты это было бы неэкономично и фактически создало бы гораздо больше проблем, чем могло бы когда-либо решить.

В то время как модифицированный прямоугольный инвертор можно рассматривать как очень грубую форму ШИМ, в одной из форм модифицированного синусоидального сигнала используется низкоскоростной ШИМ для достижения грубого приближения к синусоиде (обсуждается ниже).Другой вариант — построить ступенчатую форму волны путем включения и выключения различных обмоток трансформатора. Это показано ниже, и вы можете видеть, что это начинает напоминать довольно частичную синусоиду. Это грубая форма амплитудно-импульсной модуляции (PAM), методика, которая была распространена в течение короткого периода, прежде чем полностью цифровые системы стали экономически целесообразными.

Рисунок 4 — Измененная форма синусоидального сигнала

Эта форма волны не может быть создана с помощью простого переключения, показанного выше, и требует трансформатора с большим количеством первичных обмоток для генерации выходного напряжения.Тщательно регулируя количество оборотов и время переключения, можно получить форму волны с искажением около 20% или лучше. Из-за относительной сложности формы сигнала его необходимо создавать с использованием дискретной логики (дешевой, но негибкой) или программируемого микроконтроллера (PIC или аналогичного), что позволяет при необходимости точную настройку синхронизации.

Этот тип инвертора не является распространенным, потому что его трансформатор более сложный и требует дополнительных переключающих транзисторов и схем управления.Теперь, когда технология усилителей класса D стала обычным явлением, проще и дешевле построить «настоящий» синусоидальный инвертор, чем бездельничать, пытаясь реализовать работоспособный модифицированный синусоидальный сигнал. Чтобы дать вам представление об относительной сложности, на рисунке 5 показана упрощенная схема.

Рисунок 5 — Упрощенная схема модифицированной синусоиды

Генератор частоты больше не уместно называть осциллятором, потому что он должен генерировать относительно сложную форму волны. Это делает его генератором сигналов, а не простым генератором.Может быть не сразу очевидно, как работает эта схема, поэтому сначала давайте предположим, что мы собираемся сгенерировать положительный полупериод, за которым следует отрицательный полупериод.

1. Нет вывода в течение первых 1 мс, все полевые МОП-транзисторы выключены
2. Выход 1 переходит в высокий уровень, включается Q1. Ток течет через верхние первичные обмотки в течение 2 мсек.
3. Выход 1 становится низким, выход 2 становится высоким, включается Q2. Ток протекает через половину верхней первичной обмотки в течение 4 мсек.
4. Выход 2 становится низким, выход 1 снова становится высоким на 2 мс
5. Все выходы остаются низкими в течение 2 мс, затем мы начинаем отрицательный полупериод
6. Выход 3 переходит в высокий уровень, включается Q3.Ток протекает через нижнюю первичную обмотку в течение 2 мсек.
7. … остаток цикла должен быть очевиден, чему могут помочь формы сигнала, показанные для каждого выхода генератора сигналов

Крайне важно, чтобы никакие два полевых МОП-транзистора никогда не были включены одновременно , иначе будет протекать чрезвычайно высокий и, возможно, разрушительный ток. Это означает, что на выходном сигнале будут небольшие сбои, но на большинство нагрузок это не повлияет. Некоторая базовая фильтрация удаляет самые высокие гармонические частоты и необходима для предотвращения радиопомех.Не показаны ни демпферные цепи, ни предохранитель.

Описанные временные характеристики сигналов приведены только в качестве примера. Для оптимизации отношения пикового значения к среднеквадратичному значению и характеристик искажения необходимо будет внести небольшие изменения в синхронизацию каждого импульса и периода выключения. Это также будет необходимо для изменения частоты — синхронизация описанных импульсов будет обеспечивать выходную частоту 50 Гц. Изменения в соотношениях обмоток трансформатора и небольшие временные модификации могут быть выполнены для оптимизации пикового и максимального значения.Среднеквадратичное значение напряжения и выходных искажений. При таком расположении должно быть возможно получить искажения ниже 20% с отношением пика к среднеквадратичному значению, очень близким к 1,414: 1.

Существует еще один вариант инвертора «модифицированной синусоиды», в котором используется низкоскоростная широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Вместо того, чтобы использовать частоту переключения 25 кГц или около того, это можно сделать с частотой около 550 Гц. «Частота дискретизации» должна быть нечетной гармоникой желаемой основной частоты, чтобы гарантировать симметричную форму выходного сигнала.

Рисунок 6 — Форма сигнала низкоскоростной широтно-импульсной модуляции

Нет смысла пытаться фильтровать этот сигнал, потому что частота дискретизации слишком мала и никакой разумный фильтр не может удалить гармоники. У меня нет личного опыта работы с этим типом инвертора, поэтому я не могу точно сказать, как будут себя вести наиболее распространенные нагрузки. Из-за очень высокого содержания гармоник большинство двигателей и трансформаторов могут быть подвержены нагрузкам и перегреваться. С 96% -ным гармоническим искажением это, безусловно, худшее на данный момент, и если вы собираетесь столкнуться с проблемой ШИМ, то с самого начала это может быть реальная вещь.Как и другой вариант «модифицированной синусоиды», показанный выше, реализация истинной синусоиды будет стоить так немного дороже, что не стоит рассматривать низкоскоростной ШИМ.

Создание синусоидального инвертора (теоретически) не особенно сложно. Все, что вам нужно, — это синусоидальный генератор нужной частоты, усилитель мощности для обеспечения необходимого тока и трансформатор для повышения напряжения до 230 В или 120 В RMS. К сожалению, это очень неэффективно и плохо использует емкость аккумулятора.Раньше это было довольно распространено для лабораторных источников питания с синусоидальной волной, и один из них есть у меня в мастерской. Он очень большой, чрезвычайно тяжелый (два очень больших трансформатора и большой радиатор), и, хотя форма сигнала очень хорошая, он достаточно нагревается при полной нагрузке, чтобы в полной мере использовать установленные мощные вентиляторы. Полностью забудьте про работу от батареи, потому что она работает от относительно высокого напряжения, чтобы поддерживать ток в разумных пределах. Этот источник питания (неуместно называть его инвертором) использует огромное количество силовых транзисторов, позволяющих управлять «сложными» нагрузками.

Хотя можно использовать почти такую ​​же схему усилителя мощности, как показано на рисунке 2, для получения хорошей линейности требуется много обратной связи. Обычно проще использовать более или менее обычный усилитель мощности (но помните, что он должен быть полностью защищен от случайных коротких замыканий, обычных кратковременных перегрузок и, возможно, очень реактивных нагрузок. Это делает усилитель сложным и дорогим, и тем более, если вы хотите работать, если от низкого напряжения питания.

Когда напряжение питания составляет всего 12 В постоянного тока, почти необходимо использовать два усилителя в мостовом (BTL) режиме, так как это фактически удваивает напряжение питания.Использование линейного усилителя мощности нецелесообразно для инвертора для ИБП из-за низкого КПД (ожидайте, что не лучше ~ 60% для «реальных» схем), хотя его можно немного увеличить за счет некоторых искажений. Ожидать, что общая эффективность превышает 70%, как правило, нереально, если синусоида не ограничена до такой степени, что она напоминает прямоугольную волну.

Рисунок 7 — Форма волны с ограниченным «чистым» синусоидальным сигналом

При искажении чуть более 5% (сеть может быть хуже), среднеквадратичное напряжение 231.5 В и пиковое значение 310 В, приведенная выше форма сигнала очень близка к форме, полученной непосредственно от сети. Из-за ограничения КПД будет около 70-75% — несколько лучше, чем теоретический максимум с чистой синусоидой. Транзисторам по-прежнему нужны массивные радиаторы, и, конечно же, каждый ватт тепла должен отдаваться батареей.

Как должно быть очевидно, это не идеальная схема. Относительно низкие искажения хороши для двигателей и других индуктивных нагрузок и вызывают небольшую нагрузку на любую нагрузку, потому что они близки к тому, что выходит из стенной розетки.Однако дополнительная разрядка батареи достаточно высока, чтобы вы потеряли не менее 30% емкости батареи при нагревании.

Поскольку это не жизнеспособный вариант, не предусмотрена репрезентативная схема. Если кто-то хотел построить инвертор с использованием линейных усилителей, это возможно и потенциально полезно при низких уровнях мощности. Один из примеров, который приходит на ум, — это использование синусоидального генератора с кварцевым управлением, усилителя мощности IC и подходящего трансформатора для создания до 10 Вт или около того. Такое расположение идеально подходит для привода синхронных часов или двигателей поворотного стола, которые обычно потребляют максимум 2–3 Вт.Обеспечение того, чтобы усилитель имел зажим , поможет снизить общую рассеиваемую мощность.

PWM — это технология выбора для максимальной эффективности и чистого синусоидального выходного сигнала. Частота модуляции должна быть достаточно высокой, чтобы ее никто не услышал, что обычно означает не менее 25 кГц. Могут использоваться более низкие частоты, но шум от трансформатора или катушки индуктивности фильтра может быть недопустимым, а компоненты фильтра будут больше и дороже.Существует бесчисленное множество наборов микросхем для создания схем ШИМ, и нетрудно получить очень высокую производительность при высокой эффективности. Можно получить правильно спроектированный усилитель класса D с КПД от 80% до 90%, но также необходимо учитывать потери в трансформаторе.

Для выходной мощности более 200 Вт в усилителе класса D почти наверняка будут использоваться дискретные компоненты. Доступны усилители IC, которые могут делать больше, но инвертор — это особый случай, когда дело касается нагрузки.Многие обычные нагрузки при первом включении могут быть близки к короткому замыканию (например, двигатели, тороидальные трансформаторы и простые источники питания с конденсаторами выпрямителя и фильтра), что вызывает чрезмерную нагрузку на усилитель.

Для выходной мощности 500 Вт (например) при 230 В полное сопротивление нагрузки составляет 106 Ом. Поскольку для трансформатора потребуется соотношение 1:30 (отношение импеданса 1: 900), эффективная нагрузка на усилитель мощности составляет всего 118 мОм — 0,118 Ом! Это чрезвычайно низкий импеданс, который дает представление о типе испытываемой нагрузки.Помните, что оно может упасть почти до нуля, ограничиваясь только сопротивлением обмоток трансформатора, и до сих пор учитывалась только резистивная нагрузка. Более подробная информация о коэффициентах трансформации приведена ниже. Чтобы бороться с высокими потерями при таком низком импедансе, разумно (и более эффективно) включить повышающий преобразователь, чтобы увеличить доступное напряжение 12 В до чего-то более управляемого. Естественно, в повышающем преобразователе будут присутствовать потери, но при тщательном проектировании они будут меньше потерь, понесенных без него.

Чтобы изучить процессы, необходимые для усилителя мощности класса D для инверторов, я предлагаю вам прочитать примечание по применению Texas Instruments ^[2] . Здесь рекомендуется использовать «трехуровневую» форму волны ШИМ, генерируемую специальной логикой и использующую мостовой выходной каскад. Здесь также показано очень упрощенное объяснение, и я надеюсь, что его будет несколько легче понять. Также стоит посмотреть статью о классе D на сайте ESP ^[3] .

Рисунок 8 — Получение ШИМ (синий) от входа (красный) и опорного сигнала (зеленый)

Генерация сигнала ШИМ (по крайней мере, теоретически) восхитительно проста.Синусоидальная волна подается на один вход компаратора, а форма волны линейного треугольника — на другой. Когда напряжение сигнала выше опорного, выходной сигнал компаратора высокий, и наоборот. Выход компаратора будет выглядеть как синяя кривая на рисунке 8. Поскольку это простой сигнал включения / выключения, его легко усилить, а исходную синусоиду можно восстановить с помощью относительно простого фильтра индуктивности / конденсатора (LC). Естественно, в реальности все иначе. Специальные наборы микросхем, которые доступны для генерации сигналов ШИМ, обычно дают гораздо лучшие результаты, чем дискретные ИС, а также предоставляют многие другие вспомогательные функции.К ним относятся драйверы затвора MOSFET и поэтапное ограничение тока, которые необходимы для инвертора, который, как ожидается, будет обеспечивать значительный ток.

Основные функции показаны ниже, но без полной схемы. Рисунок 9 очень упрощен, потому что полная схема слишком сложна, чтобы ее легко понять. Два генератора показаны в следующем разделе — один синусоидальный генератор 50 Гц и один треугольный генератор 25 кГц. Они используются для генерации сигнала ШИМ.Обратите внимание, что на языке импульсных источников питания мостовой выходной каскад, подобный показанному ниже, обычно называют мостом «H», и он нарисован так, что переключающие устройства и трансформатор образуют форму буквы «H».

Рисунок 9 — Упрощенный синусоидальный инвертор ШИМ

Как показано выше, предпочтительно использовать мостовой усилитель для управления первичной обмоткой. Это приводит к удвоению напряжения питания, поэтому максимальное колебание на трансформаторе составляет почти 8.5 В RMS (24 В пик-пик), а не менее 4,25 В, которые можно получить от одного источника 12 В. Ток, который должен регулировать каждый каскад полевого МОП-транзистора, чрезвычайно высок, поэтому требуются полевые МОП-транзисторы с чрезвычайно низким RDS на (по сопротивлению). При пике нагрузки всего 1 А каждый полевой МОП-транзистор будет коммутировать пиковый ток не менее 30 А постоянного тока.

Мостовые усилители с ШИМ управляются так же, как и любые другие мостовые усилители, но с помощью сигнала ШИМ. Поскольку высокочастотное переключение может нанести ущерб при подключенном трансформаторе, может потребоваться использовать выходные фильтры нижних частот, чтобы сигнал переключения был изолирован от трансформатора.Если трансформатор имеет очень низкую индуктивность рассеяния, можно будет разместить на выходе фильтр нижних частот, но это означает, что требуемая индуктивность будет больше, чем требуется, если фильтр находится в цепи низкого напряжения. Секции драйвера MOSFET отвечают за сдвиг уровня (верхняя сторона) и за обеспечение требуемого мертвого времени, чтобы гарантировать, что пары вертикальных полевых МОП-транзисторов (Q1, Q2 и Q3, Q4) никогда не будут включены одновременно.

Для любого инвертора большой мощности трансформатор становится основной частью устройства по размеру, весу и стоимости.Если инвертор использует импульсный импульсный источник питания для получения пикового напряжения, необходимого для выхода, он может использовать трансформатор гораздо меньшего размера, поскольку он будет переключаться на частоте 25 кГц или более, а не 50 Гц. Затем выходной каскад работает с полным пиковым напряжением, 325 В или 170 В постоянного тока, что соответствует сетям 230 В и 120 В соответственно. Базовая схема такого инвертора показана ниже. Используя более высокое напряжение постоянного тока (например, 400 В для выхода 230 В), становится возможным обеспечить регулирование, которое может быть настолько хорошим, насколько вам нужно.

Рисунок 10 — Преобразователь постоянного тока в постоянный, высоковольтный ШИМ

Такая компоновка позволяет оптимизировать преобразователь постоянного тока в постоянный, а трансформатор может быть намного меньше, чем в противном случае. Хотя для преобразователя постоянного тока показаны только два IGBT, в идеале он должен использовать несколько сильноточных устройств, подключенных параллельно, так что чрезвычайно высокий ток может обрабатываться с минимальными потерями. Так как это устройство может использоваться с инверторами любой мощности, но оно становится экономичным только для выходной мощности, возможно, 250 ВА или более (как правило, с учетом пикового значения или номинального напряжения 500 ВА).При выходной мощности всего 500 ВА (или 500 Вт) средний постоянный ток будет около 47 А с учетом потерь.

Выходной каскад представляет собой H-мост, так что напряжение постоянного тока составляет только половину того, что в противном случае необходимо для полного цикла переменного тока. Может показаться глупым использование двух отдельных ступеней, с преобразователем постоянного тока в постоянный, за которым следует генератор синусоидальных сигналов с ШИМ на полное напряжение сети, но это имеет много преимуществ и, если все сделано правильно, будет более эффективным, чем одиночный переключающий каскад. Этот подход также упрощает регулирование, но требует очень сложных защитных схем вокруг устройств переключения выходов (не показаны на рисунке 10).

Обеспечение защиты не особенно сложно, но она должна быть достаточно быстрой, чтобы защитить коммутационные устройства в худших условиях. Сетевые нагрузки могут быть очень тяжелыми для инверторов, потому что их очень много, что кажется близким к короткому замыканию при подаче питания. Большинство импульсных источников питания, большие трансформаторы и двигатели особенно сложны, причем двигатели являются одними из самых сложных. Пусковой ток для типичных двигателей очень высок, и если двигатель должен запускаться под нагрузкой (холодильные компрессоры являются одним из худших нарушителей), проблема еще больше.Если инвертор не может подавать ток, достаточный для запуска двигателя, может быть поврежден либо инвертор, либо двигатель (или оба).

Рисунок 11 — Фотография высоковольтного ШИМ-инвертора мощностью 300 Вт

На фотографии выше показаны внутренности инвертора мощностью 300 Вт, который довольно точно соответствует блок-схеме, показанной на рисунке 10. Выходная секция управляется микроконтроллером PIC и двумя комбинированными драйверами полевых МОП-транзисторов IR2110, каждый из которых управляет парой полевых МОП-транзисторов высокого напряжения IRF840.PIC отвечает за генерацию синусоиды, вероятно, используя простую таблицу для определения ширины импульса, необходимой для каждого перехода. Он управляется кристаллом, поэтому частота будет довольно точной, но это не было проверено. Искажения очень низкие — все гармоники ниже -40 дБ, поэтому общее искажение вряд ли превысит около 2% — это отличный результат для инвертора.

В главной секции инвертора используется пара IGBT для обработки высокого тока. Большой желтый сердечник с маркировкой PSI-300W является индуктором для выходного фильтра вместе с конденсатором 2 мкФ, 300 В переменного тока.Другое ядро, которое вы видите, — это переключающий трансформатор, который преобразует входное напряжение 12 В примерно в 350 В постоянного тока с частотой переключения ~ 40 кГц.

Есть много разных способов сделать осцилляторы, подходящие для генерации синусоидальных и треугольных волн. В высокоинтегрированной коммерческой конструкции они, вероятно, будут как цифровыми, так и предпочтительно с кварцевой синхронизацией, чтобы частота была точной. Для ИБП ситуация усложняется, если вы хотите, чтобы выход генератора был синхронизирован с сетью, чтобы переключение не происходило без сбоев.В случае автономного генератора синусоидальных сигналов нас это не волнует, тем более что система также может работать как преобразователь частоты. Например, производство сети 60 Гц в стране с частотой 50 Гц (или наоборот) является довольно распространенным требованием испытательной лаборатории.

Генератор, описанный в первой ссылке ^[1] и показанный на рисунке 10, довольно прост и имеет хорошую стабильность частоты. Стабильность амплитуды определяется напряжением насыщения первого операционного усилителя и может незначительно изменяться в зависимости от температуры.Для более полного ознакомления с различными методами генерации синусоидальных сигналов см. Раздел «Осцилляторы синусоидальных сигналов — характеристики, топологии и примеры». Для источника переменного тока искажение ниже 1% более чем приемлемо, и даже каскад класса D может выиграть (немного), позволив ему ограничить пики. Для большинства приложений совершенно не имеет значения, имеет ли генерируемый сигнал от сети общее искажение до 5%, и это снижает требования к генератору 50/60 Гц. В частности, это означает, что не требуются точные методы стабилизации амплитуды, что упрощает конструкцию.

Рисунок 12 — Трехступенчатый синусоидальный генератор со сдвигом фаз

Хотя конструкция проста и имеет довольно низкие искажения, амплитуда будет немного меняться при изменении частоты через VR1. Амплитуду можно до некоторой степени изменять, изменяя соотношение R3 и R4, но это также изменяет частоту и бесполезно. U1 работает как усилитель с усилением, управляемым R3 и R4. Как показано, он имеет коэффициент усиления 10 (100 кОм / 10 кОм), и при значительном уменьшении усиления он не будет колебаться.Более высокое усиление делает колебания достоверными, но за счет более высоких искажений. При питании от источника 12 В выходной уровень составляет около 460 мВ RMS с искажением 0,8%. Частота составляет 50 Гц с VR1, установленным на 52k. Поскольку выходной синусоидальный сигнал снимается с выхода операционного усилителя, он имеет низкий импеданс. Чтобы получить более высокий уровень, U4 может быть подключен как усилитель, или выход может быть взят из U3 (930 мВ с 2% искажением).

Этот генератор может использоваться как с линейными инверторами, так и с инверторами класса D. Очевидно, нет особого смысла создавать синусоидальный генератор для модифицированного прямоугольного инвертора.Хорошую синусоиду можно также создать с помощью цифрового синтеза, и это имеет то преимущество, что ею можно управлять на кристалле. Хотя абсолютная стабильность частоты обычно не очень важна для инвертора, это никому не повредит, и если он поставляется (практически) бесплатно, то что может не понравиться? PIC может использоваться для генерации синусоиды, а также для контроля характеристик схемы, температуры и т. Д.

Рисунок 13 — Триггер Шмитта + генератор треугольников интегратора

Генератор треугольных волн также можно сделать разными способами, но, как показано выше, он довольно прост и имеет хорошую линейность.U1 подключен как триггер Шмитта, на его неинвертирующий вход подается положительная обратная связь. U2 — интегратор. Выходной сигнал от U2 увеличивается до тех пор, пока неинвертирующий вход U1 будет принудительно выше, чем опорное напряжение (Vref) на инвертирующем входе. Он быстро переключает свой выход на высокий уровень, заставляя выход U2 линейно падать до тех пор, пока неинвертирующий вход U1 не станет ниже Vref. Цикл повторяется бесконечно. При указанных значениях и источнике питания 12 В амплитуда выходного сигнала составляет 4 В от пика до пика на частоте 25.8 кГц. VR1 позволяет вам установить уровень в соответствии с уровнем синусоидального сигнала для оптимального уровня модуляции. C2 используется на «нижнем» конце VR1, так что опорное напряжение 6 В сохраняется и не меняется в зависимости от настройки потенциометра. R6 гарантирует, что треугольная волна и опорный уровень постоянного тока не могут быть потеряны, даже если горшок станет разомкнутым.

Рисунок 14 — Компаратор для создания сигнала ШИМ

Комбинируя схемы на рисунках 12 и 13 и добавляя компаратор, мы получаем полный широтно-импульсный модулятор — и да, это действительно — это так просто.Чтобы получить лучшее представление о точных формах сигнала, обратитесь к рисунку 8. Выходной сигнал — ШИМ, и он готов к отправке на переключающие полевые МОП-транзисторы через подходящий переключатель уровня и ИС драйвера затвора. Они легко доступны, причем International Rectifier IR2110 является одним из самых распространенных. Эта часть специально разработана для управления затворами полевых МОП-транзисторов для усилителей класса D.

Рисунок 15 (слева) — Форма сигнала ШИМ, 2,5 кГц с модуляцией 50 Гц
Рисунок 16 (справа) — Восстановленный сигнал 50 Гц со спектром

На рисунке 15 показан выходной сигнал широтно-импульсного модулятора, аналогичный показанному на рисунке 14.Основное отличие состоит в том, что я использовал операционный усилитель (который работает, но недостаточно быстр), и мне пришлось уменьшить частоту треугольной формы волны до 2,5 кГц, чтобы ее можно было правильно увидеть на осциллографе.

Восстановленный сигнал показан на рисунке 16 вместе с частотным спектром на нижней фиолетовой кривой. Форма сигнала 50 Гц — это пик в крайнем левом углу, а остаточная частота 2,5 кГц (с его боковыми полосами) видна в центре измерения частотной области. Используемый фильтр представлял собой простой фильтр нижних частот типа резистор-конденсатор с частотой -3 дБ, равной 159 Гц (резистор 10 кОм и конденсатор 100 нФ), поэтому их больше 2.Сигнал 5 кГц, чем вы обычно видите. Если увеличить несущую частоту модуляции до 25 кГц, форма волны 50 Гц будет действительно очень чистой — даже с таким грубым фильтром и медленным операционным усилителем.

Многие инверторы предлагают «регулирование», но часто это неправильное регулирование, которое поддерживает как пиковое значение , так и RMS при заданном выходном напряжении. Для модифицированных прямоугольных инверторов схема регулирования будет пытаться поддерживать среднеквадратичное напряжение при падении пикового значения под нагрузкой и / или при разряде батареи.Это достигается за счет увеличения продолжительности периодов включения, и выходное напряжение начинает напоминать напряжение прямоугольного инвертора при увеличении нагрузки.

Истинные синусоидальные инверторы, использующие ШИМ, будут использовать различные методы, но самый простой — просто позволить выходной форме сигнала ограничиваться. Альтернативой является обеспечение некоторого запаса по мощности для ШИМ-усилителя и применение комплексной схемы обратной связи для обеспечения того, чтобы выходной сигнал переменного тока оставался в заданных пределах.

Для всех инверторов важно понимать, что ток на входе будет очень высоким.Это означает, что — все, что есть в цепи, — может влиять на регулирование, начиная от батареи, проводов питания, коммутирующих устройств и первичных обмоток трансформатора. Даже довольно ничтожный инвертор мощностью 100 Вт будет потреблять 8,33 А постоянного тока при 12 В, но мгновенный ток выше, а потери не учитывались. Фактический (средний) ток будет ближе к 10А, а пиковый ток будет почти 20А. Даже небольшое сопротивление вызывает серьезное падение напряжения — например, всего 0,1 Ом вызовет потерю 2 В при 20 А, поэтому 12 В теперь составляет всего 10 В.

Совершенно очевидно, что если уменьшить 12 В до 10 В при пиковом токе, то выходное напряжение должно упасть, по крайней мере, пропорционально, и могут быть немного больше потери из-за внутренних сопротивлений. Требуемый пик 325 В упадет до 270 В, а среднеквадратичное значение упадет примерно до 190 В. Единственный способ добиться правильного регулирования выходной мощности — это обратная связь. Высоковольтный ШИМ-инвертор, вероятно, будет единственным, который может предложить как приемлемое регулирование (лучше, чем 5% от холостого хода до полной нагрузки), так и при сохранении правильного отношения пикового значения к среднеквадратичному значению — см. Ниже.

Трансформатор, используемый для низкочастотного инвертора, неизменно является повышающим типом. Первичная обмотка должна иметь очень низкое сопротивление из-за большого тока, и во всех случаях трансформатор должен быть рассчитан на используемую частоту сети. Это означает, что он будет сравнительно большим — по крайней мере, того же размера, что и обычный понижающий трансформатор, рассчитанный на такую ​​же номинальную мощность в ВА.

В зависимости от предполагаемого использования (например, с перебоями или постоянным подключением) допустимые потери будут разными.Трансформатор, который будет использоваться только для эпизодических ИБП, может быть меньше, чем в идеальном случае, и поэтому он будет дешевле, меньше и легче. Конечно, и потери будут выше. Первичная индуктивность не имеет большого значения, но она должна быть достаточно высокой, чтобы ток намагничивания при 50 или 60 Гц был достаточно низким, чтобы потери находились в разумных пределах. Расчет индуктивности сетевых трансформаторов — это не точная наука. Большая часть тока намагничивания будет из-за частичного насыщения, поэтому расчетное значение будет ниже ожидаемого.

В качестве примера, довольно простой (то есть ничего особенного) трансформатор сетевого напряжения с соотношением 30: 1 (230–7,67 В RMS) может потреблять 50 мА от сети 230 В 50 Гц без нагрузки. Это ток намагничивания, поэтому эффективная индуктивность рассчитывается по формуле нормального индуктивного реактивного сопротивления …

X L = V / I
X L = 230 / 0,05 = 4,6 кОм
L = X L / (2π × f)
L = 4,6 к / (6,283 × 50) = 14,64H

Отсюда следует, что при передаточном числе витков 30: 1 (7.66V RMS Output) эффективная вторичная индуктивность будет около 16,2 мГн. При использовании инвертора в обратном направлении ток намагничивания в лучшем случае будет 1,5 А, но обычно он будет больше и будет широко варьироваться в зависимости от конструкции трансформатора. Как всегда при проектировании трансформатора, на самом деле необходимо учитывать только предел насыщения сердечника, и это зависит от материала сердечника, типа сердечника (E-I, тороидальный и т. Д.) И максимально допустимого рассеяния на холостом ходу. Вопреки распространенному мнению, поток сердечника любого трансформатора максимален при отсутствии нагрузки.Поток всегда уменьшается с по мере увеличения тока нагрузки ^[5] .

Для повышающего трансформатора важно, чтобы первичная обмотка низкого напряжения имела достаточно витков для предотвращения насыщения сердечника. Это гораздо более серьезная проблема с повышающими трансформаторами, потому что сопротивление первичной обмотки очень низкое, и даже небольшое насыщение вызовет резкое увеличение тока, потребляемого от батареи. В отличие от обычного сетевого трансформатора, сопротивление первичной обмотки слишком низкое, чтобы обеспечить какое-либо ограничение тока.Вы, должно быть, заметили, что я предложил вторичное напряжение всего 7,67 В (пиковое 10,8 В), и это необходимо, потому что трансформатор будет использоваться в обратном направлении, и имеется только источник питания 12 В. Ожидать потери не менее 1,2 В для небольшого инвертора вполне реально, хотя они могут быть больше.

Как всегда, конструкция трансформатора — это компромисс, и для получения наименьшего сопротивления требуется несколько витков толстого провода. Однако, если провод настолько толстый, что вы не можете получить достаточное количество витков, сердечник насыщается, и потери холостого хода становятся чрезмерными.Задача разработчика — разработать максимально толстый провод для необходимых витков и выбрать сердечник достаточно большого размера, чтобы избежать насыщения, но не настолько большого, чтобы он стал слишком тяжелым и дорогим.

Возможно, удивительно, но даже если усилитель работает с ШИМ на высокой частоте, трансформатор не может быть маленьким с ферритовым сердечником. Низкочастотная составляющая (то есть частота сети) является доминирующим фактором, и трансформатор должен справляться с этим, а не с частотой переключения. Это ограничение применяется даже при отсутствии фильтра нижних частот между усилителем (ами) и низковольтной первичной обмоткой трансформатора.

Естественно, это не тот случай, когда ШИМ выполняется при высоком напряжении, а каскад ШИМ напрямую подает выход переменного тока. В инверторах HV PWM высокое напряжение генерируется высокочастотным импульсным источником питания, и для этого может использоваться сердечник трансформатора гораздо меньшего размера, поскольку он работает на частоте 25 кГц или более. Большинство этих инверторов имеют вентиляторное охлаждение, даже если они имеют довольно низкую выходную мощность (100-200 Вт или около того).

Нет ничего необычного в том, что коммерчески доступные инверторы (низковольтные, повышающие трансформаторы) имеют явно слишком маленький трансформатор.Чтобы получить необходимое количество витков, необходимое для предотвращения насыщения, трансформатор должен использовать провод, который тоньше, чем требуется, чтобы оставаться холодным под нагрузкой. Обычно это решается путем охлаждения трансформатора вентилятором. Хотя это определенно работает и предотвращает расплавление трансформатора, это не предотвращает потерь, которые в первую очередь вызывают нагрев трансформатора. В результате снижается эффективность.

Как теперь должно быть очевидно, инвертор нетривиален.Многие из доступных дешевых имеют низкое энергопотребление, и если они заявляют, что их мощность превышает 100 ВА, вы можете быть уверены, что они не будут размером с банку для напитков. Помните, что только трансформатор будет рассчитан на полный ток нагрузки, поэтому даже небольшой инвертор (100 ВА или 230 В при 430 мА) нуждается в трансформаторе, рассчитанном как минимум на 100 ВА. Большинство из них заявляют, что номинальная выходная мощность может быть вдвое выше, чем при «импульсном» или «пиковом» выходе, но это почти всегда будет означать, что трансформатор будет перегружен в течение этого периода.Распространенный метод, позволяющий использовать трансформатор меньшего размера, чем идеальный, — это охлаждать его вентилятором, и это довольно распространено для дешевых инверторов.

Точность и стабильность частоты редко упоминаются. Хотя это относительно неважно для большинства приложений (обычно достаточно 5% точности), в некоторых случаях чрезвычайно важны как стабильность, так и частота. Не думайте, что любой бюджетный инвертор достаточно стабилен, чтобы управлять синхронными часами или двигателями с таймером, например. Ошибка, несущественная для большинства приложений, чрезвычайно важна для часов и механических таймеров, которые используют сеть в качестве опорной частоты.

На случай, если кому-то интересно, проекта синусоидального инвертора нет и не будет. На сайтах онлайн-аукционов будет много предложений по инверторам, некоторые из них будут иметь модифицированный прямоугольный сигнал (но с заявлением о «модифицированном синусоиде»), а другие показаны как истинный синусоидальный сигнал. Это может быть правдой, а может и нет. В любом случае, по тем ценам, по которым они продаются, не стоит пытаться его построить. В общем, я бы посоветовал вам вдвое снизить заявленный рейтинг, поскольку я подозреваю, что очень немногие способны достичь заявленных значений мощности, но даже после этого они все еще дешевы.

Из-за очень высоких токов переключающие устройства должны быть чрезвычайно прочными, и необходима хорошая защита, чтобы гарантировать, что кратковременные перегрузки не вызовут сбоев. Также необходимо включить защиту аккумулятора, чтобы при падении напряжения ниже заданного минимального напряжения инвертор отключался. Если это не входит в комплект, батарея будет разрушена, потому что все текущие химические соединения будут повреждены, если они будут разряжены слишком далеко. В качестве ориентира вы можете принять около 10 А на каждые 100 Вт выходной мощности при входном напряжении 12 В.Это предполагает общий КПД около 83%, который будет охватывать большинство бюджетных инверторов, а также довольно много высококлассных типов.

Тем, кто так склонен, может быть интересно просмотреть некоторые рекламные объявления инверторов. Я видел (заявленные) инверторы мощностью 2500 Вт (пиковая мощность 5000 Вт), где указано, что в устройстве есть предохранитель на 40 А. При питании от источника 12 В инвертор может потреблять до 500 А (пиковое значение) и около 250 А при полной номинальной продолжительной мощности (при входном напряжении 12 В и с учетом потерь) *.Интересно, для чего нужен предохранитель постоянного тока на 40А. Возможно, они рассказывают непослушные выдумки.

* 40А при 12В — это 480Вт , входная мощность , без учета потерь. Фактическая мощность составит около 460 Вт с учетом «типичных» потерь в схемах. При 13,8 В (аккумулятор заряжается) 40 А составляет 552 Вт входная мощность, далеко не 2500Вт.

1. Инвертор синусоидальной волны постоянного / переменного тока — Вустерский политехнический институт
2. Эталонный дизайн инверторов с чистой синусоидой, 800 ВА — Texas Instruments
3. Аудиоусилители класса D — теория и конструкция
4. Синусоидальные генераторы — характеристики, топологии и примеры
5. Трансформаторы — основы (раздел 1)

Страница опубликована и авторские права © март 2014 г.

Модули биполярного питания | Matsusada Precision

Биполярный источник питания — это источник питания, который может работать во всех четырех квадрантах. В то время как обычные источники питания постоянного тока являются униполярными и могут работать в одном или трех квадрантах, биполярные источники питания могут работать в режиме источника (выход) и стока (всасывания) в областях положительного (+) и отрицательного (-) напряжения, соответственно.Для получения дополнительной информации см. «Что такое биполярный источник питания? (Базовые знания)».

Биполярные блоки питания / усилители низкого напряжения Matsusada presicion — это четырехквадрантные биполярные блоки питания с «быстрым откликом» и «компактностью». Мы предлагаем в общей сложности 12 серий, включая модели со сверхбыстрым откликом и рабочими скоростями от постоянного тока до 1 МГц, а также модели с функциональными генераторами.

Они идеально подходят для оценочных испытаний, исследований и разработок, а также для обработки поверхностей индукторов, таких как катушки и трансформаторы, конденсаторы, диэлектрики, солнечные элементы, батареи и различные двигатели.Дополнительную информацию о терминологии, использовании и мерах предосторожности для биполярного источника питания / усилителя мощности (усилителя) см. В разделе «Как использовать усилитель и его примечания».

Биполярные источники питания высокого напряжения / усилители мощности и источники импульсного питания высокого напряжения перечислены в разделе «Усилители высокого напряжения / Источники питания высокого напряжения».

DJOPF серии

выходное напряжение

от 0 до ± 60 В

выходной ток

от 0 до ± 5A

выходная мощность

от 0 до 60 Вт

Компактный размер и функциональный генератор

Соответствует цифровому интерфейсу и пульту дистанционного управления

серии DOKF

выходное напряжение

от 0 до ± 80 В

выходной ток

от 0 до ± 20A

выходная мощность

от 0 до 400 Вт

Высокоскоростной четырехквадрантный биполярный источник питания

Высокая скорость отклика от постоянного тока до 120 кГц, запрограммированная волна должна выводиться с высоким качеством

DOEF серии

выходное напряжение

от 0 до ± 60 В

выходной ток

от 0 до ± 20A

выходная мощность

от 0 до 1.2кВт

Биполярный / высокоскоростной отклик

Установлена ​​функция последовательности, встроенный функциональный генератор, Высокая скорость постоянного тока до 200 кГц

Серия ДОПФ

выходное напряжение

от 0 до ± 300 В

выходной ток

от 0 до ± 100A

выходная мощность

от 0 до 2 кВт

Четырехквадрантный высокоскоростной биполярный источник питания

Встроенный функциональный генератор

Серия DOSF

выходное напряжение

от 0 до ± 60 В

выходной ток

от 0 до ± 60A

выходная мощность

от 0 до 1.2кВт

Четырехквадрантный биполярный источник питания с функциональным генератором

Сверхбыстрый отклик от постоянного тока до 200 кГц

DJOP серии

выходное напряжение

от 0 до ± 60 В

выходной ток

от 0 до ± 5A

выходная мощность

от 0 до 60 Вт

Настольный двухполюсный блок питания

Для квадрантного действия, Компактный размер рабочего стола 5.Ширина 5 дюймов

серии DHOP

выходное напряжение

от 0 до ± 45 В

выходной ток

от 0 до ± 12A

выходная мощность

от 0 до 240 Вт

Четырехквадрантный быстрый отклик
Биполярный источник питания

Компактность и высокая скорость отклика, различные типы входных сигналов

Серия DOP

выходное напряжение

от 0 до ± 300 В

выходной ток

от 0 до ± 120A

выходная мощность

от 0 до 2 кВт

4-квадрантный биполярный источник питания, который является источником и потребителем электроэнергии

Широкий модельный ряд из 42 моделей, доступных для режима CV / CC

Серия DOS

выходное напряжение

от 0 до ± 60 В

выходной ток

от 0 до ± 100A

выходная мощность

от 0 до 2 кВт

Биполярный / сверхбыстрый отклик

Четырехквадрантное действие, доступен режим CV / CC, сверхвысокая скорость отклика от постоянного тока до 200 кГц (в режиме CV)

Серия DOL

выходное напряжение

от 0 до ± 120 В

выходной ток

от 0 до ± 16 мА

выходная мощность

0 до 640 Вт

Биполярный / Высокоскоростной

от постоянного тока до 10 кГц или 15 кГц, от 270 до 640 Вт, ± 18 В и ± 120 В

DOA серии

выходное напряжение

от 0 до ± 150 В

выходной ток

от 0 до ± 4A

выходная мощность

от 0 до 300 Вт

Биполярный / сверхвысокий отклик

4-квадрантное действие, высокая скорость отклика от постоянного тока до макс.1 МГц

DOC серии

выходное напряжение

от 0 до ± 1 кВ

выходной ток

от 0 до ± 200 мА

выходная мощность

от 0 до 100 Вт

Биполярный / Высокое напряжение

Высокоскоростной отклик, 10 кГц, компактный и мощный, высокое напряжение на выходе, ± 500 В и ± 1000 В

Снято с производства

DOD серии

выходное напряжение

от 0 до ± 120 В

выходной ток

от 0 до ± 100A

выходная мощность

от 0 до 2.4кВт

Биполярный / сверхнизкая пульсация

Высокопроизводительный биполярный источник питания для исключительного использования электромагнита

Снято с производства

DOM серии

выходное напряжение

от 0 до ± 100 В

выходной ток

от 0 до ± 125A

выходная мощность

от 0 до 1 кВт

Компактный размер и универсальность

Компактный размер высотой 3U, Доступны Источник и сток тока ± 125 А максимум

Примеры применения биполярных источников питания

Мы предложим приложения, основанные на достижении Мацусады.

Что такое биполярный источник питания?

Это четырехквадрантный биполярный источник питания для источника и потребления энергии. Блок питания доступен с двумя режимами постоянного напряжения (CV) и постоянного тока (CC). Используя преимущества встроенных функциональных генераторов, некоторые серии биполярных источников питания также могут генерировать базовые входные сигналы, включая синусоидальную и прямоугольную.

Также доступны произвольные волны.
Для получения дополнительной информации посетите страницу «Технические знания» на нашем сайте.

ИНДЕКС

Автомобили и транспортные средства

Разработка и оценка двунаправленных инверторов и преобразователей

В последние годы источники питания на транспортных средствах перешли с 12 вольт на 48 вольт. Чтобы не отставать от этой тенденции к более высоким напряжениям, в том числе в квазигибридизированных транспортных средствах, пришлось пересмотреть конструкцию различных автомобильных компонентов. Чтобы удовлетворить потребность в дополнительной экономии энергии, нам необходимо разработать такие двунаправленные устройства, как устройства постоянного / постоянного тока, чтобы повысить эффективность хранения регенерированной электроэнергии.Кроме того, по мере того, как компьютеризация автомобилей прогрессирует, быстро возрастает потребность в тестах на шум, включая кривые кривошипа электрических компонентов, установленных на транспортных средствах. Биполярные источники питания являются наиболее подходящими кандидатами для оценки шума, нагрева и отклика этих устройств и компонентов. Кроме того, использование высоких напряжений также важно для оценки электромобилей и сверхвысоких напряжений. Matsusada Precision предлагает широкий ассортимент биполярных источников питания для удовлетворения потребностей каждого пользователя.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость Высокое напряжение

Matsusada предлагает 147 моделей биполярных источников питания модели с напряжением и высокой мощностью, которые не могут сравниться с нашими конкурентами. Это позволяет клиентам выбрать правильный источник питания, который лучше всего подходит для их индивидуальных применений.У нас есть блок питания, который может обеспечивать мощность до 2000 Вт от одного блока, что позволяет использовать компактную конфигурацию, когда требуется высокая мощность. Блоки питания конкурентов могут выдавать максимум около 400 Вт от одного блока.

Разработка и оценка магнитных материалов для двигателей

Биполярные источники питания также используются для оценки гистерезисных характеристик магнитных материалов. Гистерезис — это характеристика, которая сильно влияет на эффективность электромоторов.Для плавного и точного измерения гистерезисных характеристик необходимо использовать высокоскоростной биполярный источник питания.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая скорость Высокое напряжение

Оценка катушек зажигания

Оценка формы кривой запуска во время вращения стартера существенный метод проверки катушек зажигания. Высокоскоростной биполярный источник питания, способный выдавать различные формы волны, необходим для тестирования современных автомобилей, в которые сложным образом встроены различные электронные устройства.Некоторые из биполярных источников питания Matsusada Precision оснащены функцией памяти, так что необходимые формы сигналов могут быть предварительно сохранены в памяти и вызваны при необходимости для тестирования.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая скорость

Оценка потерь меди и железа в реакторе большого трансформатора

Биполярные источники питания часто используются для оценить большие трансформаторы, устанавливаемые на спецтехнику.Эти трансформаторы имеют медные обмотки. При использовании высокочастотного напряжения потери меди происходят из-за так называемого скин-эффекта. В небольших трансформаторах потери меди незначительны. Но более крупные трансформаторы могут сэкономить энергию за счет уменьшения этих потерь. Биполярные источники питания используются для выбора типа проводов для реакторов, чтобы уменьшить потери меди и железа.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность

Разработка датчиков тока и шунтирующих резисторов

По мере того, как популярность автомобилей HEV и EV, в том числе специальных транспортных средств, увеличивается контроль электрического тока становится все более важным.Уменьшение потерь электрического тока становится необходимостью, чтобы увеличить расстояние и время в пути автомобилей. Для достижения этого важно улучшить характеристики датчиков электрического тока, которые контролируют ток, протекающий от аккумуляторов к различным электрическим и электронным устройствам в автомобилях. Биполярные источники питания хорошо подходят для оценки точности, скорости отклика и температуры датчиков электрического тока.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость Высокое напряжение

Разработка и оценка двигателей и периферийного оборудования

При оценке двигателей, использующих универсальный регулируемый источник питания, источник питания могут быть повреждены или выйти из строя из-за противодействия электродвижущей силе при оценке некоторых элементов.Поэтому при разработке и оценке двигателей использовалась комбинация электронных нагрузок и регулируемого источника питания. Поскольку биполярный источник питания может выводить сигнал во всех четырех квадрантах, нет необходимости комбинировать электронные нагрузки. Однако до сих пор не было доступно двухполюсных источников питания большой мощности, поэтому можно было оценивать только двигатели с малой номинальной мощностью. Компания Matsusada Precision разработала компактный биполярный источник питания высокой мощности, который позволяет также оценивать большие двигатели.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость Высокое напряжение

Оценка электромагнитных клапанов

Скорость работы электромагнитных клапанов влияет на расход топлива автомобилей. Наш биполярный источник питания способен обеспечивать высокую скорость реакции при проверке работы электромагнитных клапанов.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая скорость

Разработка и оценка разъемов

Автомобили с электронным управлением содержат большое количество кабелей и разъемов, расположенных сложным образом.Отсутствие оценки шума и тепла может привести к серьезной аварии. Биполярные источники питания используются для имитации различных источников шума.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Моделирование кривых проворачивания коленчатого вала в специальных транспортных средствах

Необходимо моделировать кривые проворачивания коленчатого вала различных автомобилей, включая специальные автомобили. С помощью мощного или высокоскоростного двухполюсного источника питания можно моделировать кривые запуска различных типов специальных транспортных средств.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Электронные / электрические продукты общего назначения

Разработка и оценка инверторов и преобразователей

0 преобразователи

широко используются используется в различных отраслях промышленности, включая бытовые электроприборы, промышленное оборудование и автомобили. Биполярные источники питания используются при оценке таких продуктов, например, при тестировании вариаций на входе и измерении эффективности.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокое напряжение

Разработка и оценка двигателей

Если двигатель оценивается с использованием переменного источника питания общего назначения, он может выйти из строя или выйти из строя из-за противодействия электродвижущей силе. Биполярные источники питания могут поглощать любую противодействующую электродвижущую силу, которая может возникнуть при оценке двигателей.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность

Генерация магнитного поля

Биполярные источники питания также используются для оценки магнитных датчиков, таких как устройства Холла, для измерения магнитных характеристик полупроводников с памяти нового поколения MRAM и для проверки работы электромагнитных клапанов.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Разработка и оценка светодиодов, светодиодов питания и светодиодами

Биполярные источники питания используются для включения и выключения светодиодных или LD-устройств на высокой скорости и выполнять долговременные испытания на срок службы, подавляя тепловыделение.

Производительность, необходимая для этого приложения:
High speed

Мощность, подаваемая на оптические полупроводники, относительно небольшая.Наш настольный биполярный источник питания, доступный только от Matsusada, может быть использован для этого приложения. Нет необходимости в большом энергоснабжающем оборудовании. Наш настольный биполярный источник питания позволяет проводить простые тесты, требующие 60 Вт или меньше.

Разработка и оценка соединителей

Растет число случаев, когда термический КПД соединителей может быть улучшен для экономии энергии. Биполярные блоки питания реагируют с высокой скоростью, что позволяет проводить тепловые оценки до и сразу после подачи напряжения.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Разработка и оценка аккумуляторов и зарядных устройств

Биполярные источники питания, которые могут выводить сигнал в четырех квадрантах, широко используются для оценки производительность аккумуляторов, чтобы моделировать поведение аккумуляторов и оценивать зарядные устройства аккумуляторов.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Моделирование выходных сигналов

Периферийное оборудование, такое как бытовые электроприборы и другие электрические устройства, обычно требует определенных форм сигналов.Необходимо проверить, не будут ли бытовые электроприборы и другие электрические устройства нормально работать, если формы сигналов от внешних источников искажены. Биполярные источники питания отлично подходят для таких испытаний. Путем моделирования и вывода сигналов, которые могут вызвать сбои в работе, можно проверить надежность бытовых электроприборов и других электрических устройств.

Производительность, необходимая для этого приложения:
Высокая мощность Высокая скорость

Точка Вот почему выбираются биполярные источники питания Matsusada

Лучшая частота для применения зависит от размера и площади поверхности объектов быть покрытым.Matsusada Precision предлагает широкую линейку биполярных источников питания для удовлетворения почти всех потребностей в частоте.

Тестирование конденсаторов на пульсации

Широкополосные биполярные источники питания доступны для тестирования пульсаций, реагируя на более высокие частоты. Они полностью оснащены функциями безопасности, включая снижение тока. Кроме того, биполярные источники питания, которые могут добавлять переменный ток к постоянному, подходят для оценочных испытаний и старения.

Оценка ВАХ фотоэлектрических панелей

Биполярные источники питания используются для измерения ВАХ путем снижения тока, который подобен электронным нагрузкам, для контроля напряжения / тока при время.
Они также подходят для полевых испытаний с использованием солнечной энергии.

Усиление формы волны генераторов цифровых функций

Поскольку четырехквадрантные биполярные источники питания обеспечивают выход усиленной формы волны, созданной функциональным генератором без изменений, они могут быть применяется для обработки, такой как импульсное гальваническое покрытие и обработка поверхности.

Что такое биполярный источник питания? | Tech

Усилитель высокого напряжения

Усилитель высокого напряжения преобразует входное напряжение в форму волны высокого напряжения, как показано на рис.1. В наши дни спрос на высоковольтные усилители все больше и больше растет, и теперь они становятся незаменимым инструментом для исследований и разработок, экспериментов и интеграции в системы для таких областей, как электроника, физика, биохимическая и медицинская промышленность. Используя технологии высокого напряжения, Matsusada Precision Inc. производит различные усилители высокого напряжения для удовлетворения всех требований клиентов.

* У нас есть усилители, разработанные специально для электростатических патронов или PZT. За подробностями обращайтесь к нашим торговым представителям.

Четырехквадрантный выходной диапазон

, как правило, оснащен функцией «стока» для выходных токов, которая обеспечивает работу с постоянным напряжением независимо от типа нагрузки, емкостной или проводящей. (Рис.2) Поскольку он обеспечивает быстрый отклик, это идеальный источник питания для приложений, требующих выхода переменного тока.

Matsusada Усилители высокого напряжения — все усилители биполярного типа и могут работать во всей четырехквадрантной области.(I, II, III и IV участки)

• Vomax: Номинальное выходное напряжение
• Iomax: Номинальный выходной ток

Скорость нарастания

Ответственность за наш высокоскоростной усилитель определяется скоростью нарастания напряжения (SR). Пошаговая ответственность нашего усилителя показана на рис. 3.

SR = ΔV / мкСм

При меньшей амплитуде выходного сигнала время отклика сокращается. Серия AMP достигает максимального значения SR = 700 В / мкСм.

Время нарастания (переходная характеристика)

Отклик на скачок может быть обозначен временем нарастания. (рис.4) Обычно время нарастания отклика усилителя (= ширина полосы) fc (Гц) определяется формулой, приведенной ниже.

tr ≒ 0,35 / фут.

Время спада tf равно tr.

Частотная характеристика

Отклик усилителей Matsusada описывается как «полоса частот». При качании выхода синусоидальной формы с номинальной резистивной нагрузкой размах выхода (амплитуда) уменьшается по мере увеличения входной частоты.Частотная характеристика в спецификации — это частота fc, при которой размах выходного сигнала составляет 70% (-3 дБ). (рис. 5)
Если требуется четкая форма выходного сигнала, выберите усилитель высокого напряжения, который имеет достаточно высокую полосу частот по сравнению с требуемой частотой. Обычно требуется от трех до пяти раз больше полосы частот для синусоидального сигнала и примерно в 10 раз больше для прямоугольного сигнала. В случае недостаточной ширины полосы частот размах выходного сигнала должен быть уменьшен, а разность фаз должна быть большой, поэтому потребуются некоторые решения, такие как контроль формы выходного сигнала.

* Избегайте постоянного ввода высокочастотного сигнала, который снижает выходную частоту усилителя. Усилитель выйдет из строя из-за увеличения внутренних потерь.

Емкостная нагрузка

Когда к источникам питания подключена емкостная нагрузка 100 пФ или более (включая паразитную емкость выходного провода), выходное напряжение может колебаться. В этом случае установите 100 Ом (@ 0.От 1 мкФ) до 1000 Ом (@ 1000 пФ) высокого сопротивления на выходе последовательно. Обратите внимание, что полоса частот будет ограничена в соответствии с формулой, записанной на правом рисунке, когда усилитель используется с емкостной нагрузкой.

Кроме того, когда усилитель используется для такого использования, как коронный разряд, будет течь ток, превышающий номинальный, и это плохо скажется на усилителе. В этом случае, а также время для использования усилителя с емкостной нагрузкой, установите выходное сопротивление и ограничьте ток.

* Избегайте постоянного ввода высокочастотного сигнала, который снижает выходную частоту усилителя. Усилитель выйдет из строя из-за увеличения внутренних потерь.

Важное примечание по использованию всех характеристик высокоскоростного усилителя высокого напряжения

Выходной кабель усилителей высокого напряжения не экранирован. Если выходной кабель имеет некоторую паразитную способность относительно земли (заземление или металлические предметы), выходное напряжение будет синусоидальным или стоп-сигналом, и будет потребляться дополнительный ток.Поскольку этот ток идет параллельно нагрузке, может произойти следующее появление.

1. Скорость нарастания или падение частоты отклика
2. Форма волны искажена или изменена

При наличии паразитной емкости C на выходе ток утечки C будет таким, как показано ниже.

Решение

Убедитесь в правильном подключении, чтобы максимально снизить паразитную емкость высоковольтного кабеля.

1. Выходной кабель должен быть как можно короче.
2. Не приближайте выходной кабель к полу, столам или металлическим предметам.
3. Выходной кабель не имеет экранирования.

Информация о связанных статьях в разделе «Технические знания»

— Генерация плюсового и минусового напряжения для операционного усилителя

У меня, наверное, простой вопрос. Я погуглил, но ответ не имеет для меня смысла.

Я изучаю операционные усилители и создаю всевозможные схемы с помощью моих хороших дешевых операционных усилителей за 10 центов.Я всегда питаю их от лабораторного источника питания, используя +/- 5 В или 15 В, и он отлично работает на беспаечной макетной плате. Создание простых вещей, таких как простые мультивибраторы и т. Д., Которые будут стоить всего несколько центов.

Теперь я начинаю задаваться вопросом, как запитать такие устройства от одного источника постоянного тока, такого как стенная бородавка 5 В, которых у меня много валяется.

Вот что я нашел.

ВАРИАНТ 1:

Используйте «разделитель рельсов», например TLE2426. Но самый дешевый, который я могу найти на digikey в сквозной форме, стоит 1 доллар.83 (количество = 1). Действительно? Более чем в десять раз больше, чем мой список материалов (например, 1 операционный усилитель плюс несколько резисторов и конденсаторов для создания мультивибратора).

ВАРИАНТ 2:

Используйте другой операционный усилитель, как показано в разделе «Виртуальное заземление» на этой странице: http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/SingleSupply/SingleSupply.html

ВАРИАНТ 3:

Я где-то в Интернете читал, что можно купить операционные усилители с однополярным питанием. Я искал дигики, но не нашел.В нем есть столбец под названием «Vsupply single / dual», но все те, на которые я щелкнул, когда перешел к таблице данных, числа, указанные в этом столбце, были двойными +/- напряжениями.

Заключение

Обратите внимание, что для небольших одноразовых схем я не забочусь о том, чтобы платить 2 доллара за решение, но, конечно же, вариант 2 — не единственное другое решение? Если это так, то с этого момента я буду покупать только операционные усилители двойного типа (по два на пакет), поскольку кажется, что вам всегда нужен один, чтобы создать виртуальную почву для другого.Конечно, это не единственное решение?

Кроме того, вариант 2 не может обеспечивать большой ток, я думаю — значит ли это, что в некоторых случаях он не будет работать? В каких случаях у меня могут возникнуть проблемы с вариантом 2?

Как обмануть операционный усилитель

Много раз в течение моей блестящей карьеры любителя электроники я разрабатывал устройства с операционными усилителями. Поскольку эти проекты обычно работают от источника питания типа трансформатор / выпрямитель, я бы спроектировал источник питания для создания как положительного, так и отрицательного напряжения, которое удовлетворяло бы операционному усилителю.В настоящее время, когда кажется, что все работает от батарейки, я придумываю что-то, основанное на очень популярной «девятивольтовой батарее», а в последнее время — на пятивольтовой USB-батарее.

Вопрос: Как подключить источник напряжения одной полярности к операционному усилителю, который хочет видеть как положительное, так и отрицательное напряжение питания?

Хотя это правда, что некоторые операционные усилители, такие как LM324, предназначены для работы с одним источником положительного напряжения, они по-прежнему не обрабатывают сигналы переменного тока, привязанные к земле.(Между прочим, все показанные схемы предполагают использование операционных усилителей LM324 или аналогичных.) Однако, как уже отмечалось, можно рассмотреть и другие типы. Эти «другие типы» будут включать в себя более новые маломощные, низковольтные, железнодорожные станции, работающие только от пятивольтового компьютерного источника питания.

Вот факт: Операционные усилители, которые, как ожидается, будут обрабатывать заземленные сигналы переменного тока линейным образом, должны иметь отрицательное напряжение питания по отношению к их входным контактам. Эта конфигурация устанавливает точки входа и выхода на среднее заземление.Только в этом случае выход может качать сигнал переменного тока как положительный, так и отрицательный по отношению к общей цепи заземления. Вот проблема: Подключение операционного усилителя к единственному источнику питания положительной полярности не позволяет выходу качаться в отрицательном направлении. В этом случае красивая синусоида на входе будет выглядеть как полуволновой выпрямленный сигнал на выходе. Решение: Обманывать операционный усилитель, заставляя его думать, что он имеет отрицательное напряжение. Вот несколько способов сделать это.

«Уловка» состоит в том, чтобы поднять входные контакты до половины напряжения питания. Это достигается с помощью резисторов R1 и R2, как показано на Рисунок 1 . По сути, это придает нормальному виду заземляющий контакт 4.5 вольт отрицательно по отношению к входной цепи. У нашего операционного усилителя отрицательный заряд, и он доволен. Как показано, схема имеет входное сопротивление 10 кОм и дает коэффициент усиления по напряжению 10 (инвертированный).

Давайте рассмотрим, что можно назвать обратной стороной этой конфигурации. Обратите внимание на то, что поскольку на входах и выходах имеется среднее значение +4,5 В, необходимы конденсаторы связи, чтобы заблокировать это напряжение от достижения соответствующей схемы. Номинал этих конденсаторов должен быть рассчитан так, чтобы гарантировать, что наименьшая интересующая частота будет передана следующему устройству. Показаны некоторые типичные значения. Теперь рассмотрим Рисунок 2 .Это похоже на Рисунок 1 , за исключением того, что эта конфигурация не меняет полярность входного сигнала, что может лучше соответствовать вашим потребностям. Обратите внимание, что необходим дополнительный конденсатор связи на входе «+», а также несколько других деталей. Как показано, схема имеет входное сопротивление 470 кОм и коэффициент усиления по напряжению 11.

На рис. 3 показан еще один способ заставить операционный усилитель видеть питание двойной полярности. Эта конфигурация имеет преимущество в том, что отсутствует смещение на 4,5 В, что устраняет необходимость во входных и выходных разделительных конденсаторах. Выходные сигналы переменного тока могут быть как положительными, так и отрицательными по отношению к заземлению цепи, а точки входа / выхода связаны с землей, что упрощает взаимодействие. Очевидно также, что сигналы переменного тока будут полностью реагировать на постоянный ток.

Уловка здесь аналогична только что описанным схемам в том, что два резистора равного номинала используются для разделения напряжения и полярности батареи. Чтобы проанализировать это, примите во внимание, что, используя их соединение в качестве эталона, положительный вывод батареи будет измерять +4,5 В, а отрицательный вывод — -4,5 В. Поскольку этот переход становится общей точкой заземления, наш операционный усилитель видит питание двойной полярности. Это своего рода псевдо-отвод от центра для источника напряжения, который в противном случае был бы плавающим. Довольно большие конденсаторы на каждом резисторе гарантируют, что напряжения будут стабильными при наличии несинусоидальных сигналов.Как показано, эта конфигурация имеет входное сопротивление 10 кОм и коэффициент усиления по напряжению 10 (инвертированный). Рисунок 4 показывает практически ту же схему, но сконфигурированную как неинвертирующий усилитель. В этом случае входной импеданс равен резистору, который вы выбрали для использования на входном контакте «+», а коэффициент усиления по напряжению равен 11. Примечание. Если вы планируете использовать эту конфигурацию в качестве усилителя постоянного тока, необходимо сохранить выходные токи нагрузки. до менее одного миллиампера. Токи, превышающие это значение, нарушат баланс полярности постоянного тока и вызовут ошибки усиления.

Несколько слов о максимальном размахе выходного напряжения: Теоретически операционный усилитель, питаемый от батареи на 9 В, должен выдавать 9 В P-P. На практике фигура будет несколько менее простой за счет внутреннего оформления. Операционные усилители типа Bi-FET — худшие в этом отношении, однако версии с низким энергопотреблением, такие как TLO64, работают несколько лучше.Лучший исполнитель — уже упомянутый LM324. Он очень хорошо работает от девяти вольт, потребляет небольшой ток, а его выходная мощность может немного отличаться от общего напряжения питания. Даже с этими ограничениями по размаху напряжения большинство конструкций могут хорошо работать с этими уровнями. Если ваша конструкция требует максимально возможного уровня P-P от вашего существующего источника питания — будь то девять вольт или пять вольт от логического источника — вы захотите использовать новые маломощные рабочие места с Rail-to-Rail. Они рассчитаны на работу при напряжении пять вольт — даже меньше — и могут качать полное напряжение источника питания, каким бы оно ни было.

ВНИМАНИЕ: Если вы планируете использовать эти устройства R-R, скажем, на девять вольт или более, проверьте спецификации, так как некоторые из них рассчитаны только на чуть более пяти вольт. Конфигурации, показанные на рисунках 1 и 2, вероятно, будут использоваться с источником питания на пять вольт и операционным усилителем R-R. Обязательно используйте все показанные компоненты, за исключением, конечно, аккумулятора.

Тем из вас, кто соединяет аналоговые схемы с компьютером, вы можете рассмотреть источник питания USB, показанный на Рисунок 5 . Это настоящий источник питания с двойной полярностью и достаточной мощностью для работы с аналоговыми / цифровыми схемами большого размера. Положительная часть источника питания просто использует существующие пять вольт от порта USB, а отрицательная часть использует технологию «накачки заряда», включающую восьмиконтактный чип и несколько конденсаторов.В результате получается источник питания ± 5 В, который выдерживает токи до 100 мА. При питании операционных усилителей от этого источника питания используйте старую стандартную схему подключения + Vcc / -Vcc. Настоятельно рекомендуется использовать предохранитель (как показано на рисунке). Я использую прибор 0,5 А, тип FB (который я вытаскивал несколько раз — спасая блок питания моего ноутбука от повреждений). Давайте сделаем так, чтобы операционные усилители были счастливы! NV

Преобразователь напряжения зарядного насоса: 1,8-5,3 В, 60 мА

Обзор

Эта плата представляет собой инвертор напряжения подкачки заряда, который преобразует входное напряжение между 1.8 В и 5,3 В до соответствующего отрицательного выходного напряжения с типичным КПД более 80%. Инвертор может обеспечивать непрерывный выходной ток 60 мА в большей части своего рабочего диапазона, что делает его простым решением для приложений, требующих отрицательного источника питания с меньшей мощностью, включая схемы смещения датчиков и биполярные схемы операционного усилителя.

В отличие от регулятора напряжения, который производит постоянное выходное напряжение из диапазона входных напряжений, этот инвертор не имеет установленного выходного напряжения; Отрицательное выходное напряжение модуля изменяется пропорционально принимаемому положительному входному напряжению.Однако вы можете получить регулируемое отрицательное напряжение, запитав инвертор предварительно регулируемым напряжением питания. Например, при фиксированном питании 5 В модуль выдает на выходе фиксированное значение –5 В; при входном напряжении 3,3 В выходной сигнал составляет -3,3 В. Обратите внимание, что величина выходного напряжения уменьшается с увеличением выходного тока; пожалуйста, посмотрите графики внизу этой страницы для более подробной характеристики.

Характеристики

• Входное напряжение: от 1,8 В до 5,3 В
• Отрицательное выходное напряжение инвертируется со входа
• Стандартный длительный выходной ток: 60 мА
• <200 мкА типичный ток покоя без нагрузки

Использование инвертора

Подключения

Инвертор напряжения имеет три соединения: входное напряжение (VIN), заземление (GND) и выходное напряжение (VOUT).Три соединения обозначены на задней стороне печатной платы, и они расположены с шагом 0,1 дюйма по краю платы для совместимости с беспаечными макетными платами, разъемами и другими прототипами, использующими сетку 0,1 дюйма. Вы можете припаять провода непосредственно к плате или припаять либо прямую штыревую полоску 3 × 1, либо полоску штыревой под прямым углом 3 × 1, которая входит в комплект.

Входное напряжение VIN должно быть в пределах от 1,8 В до 5,3 В. Выходное напряжение VOUT инвертируется по сравнению с входным (номинально VOUT = −VIN).

Типичный КПД и выходной ток

КПД этого инвертора, определяемый как (мощность на выходе) / (мощность на входе), является важным показателем его производительности, особенно когда речь идет о сроке службы батареи или нагреве. Как показано на графике ниже, этот преобразователь напряжения обычно имеет КПД от 80% до 90%.

Максимально достижимый выходной ток составляет не менее 60 мА непрерывно в большей части рабочего диапазона инвертора напряжения, но при входных напряжениях ниже примерно 2.2 В доступный выходной ток уменьшается (примерно до 40 мА при 1,8 В на дюйм).