Причины и области применения ШИМ
Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.
Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.
В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:
- За счет инерции нагрузки. Так, тепловая инерция термоэлектронагревателей и ламп накаливания позволяет объектам регулирования заметно не остывать в паузах между импульсами.
- За счёт инерции восприятия. Светодиод успевает погаснуть от импульса к импульсу, но человеческий глаз этого не замечает и воспринимает как постоянное свечение с различной интенсивностью. На этом принципе построено управление яркостью точек LED-мониторов. Но незаметное мигание с частотой несколько сот герц все же присутствует и служит причиной усталости глаз.
- За счет механической инерции. Это свойство используется при управлении коллекторными двигателями постоянного тока. При правильно выбранной частоте регулирования двигатель не успевает затормозиться в бестоковых паузах.
Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.
Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.
Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.
Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое гетеродин простыми словами и где применяется
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы
Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Характеристики биполярного транзистора.
Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:
I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const
В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):
Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.
Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной. Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы
I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const
Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:
Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .
Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:
Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.
Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано.
Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:
I_к = \beta I_б
Двигаемся дальше
На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.
В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.
Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора.
И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.
Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:
Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.
СДЕЛАЕМ УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА 220/36 ВОЛЬТ.
Мощность во вторичной цепи: Р_2 = U_2 · I_2 = 60
ватт
Где:Р_2
– мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт
;
U
_2
– напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт
;
I
_2
– ток во вторичной цепи, в нагрузке.
КПД трансформатора мощностью до 100 ватт
обычно равно не более η = 0,8
.КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.
Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:
Р_1 = Р_2 / η = 60 / 0,8 = 75 ватт
.
Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе.Поэтому от значения Р_1
, мощности потребляемой от сети 220
вольт,
зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S
.
Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будут располагаться первичная и вторичная обмотки провода.
Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:
S = 1,2 · √P_1.
Где:S
– площадь в квадратных сантиметрах,P
_1 – мощность первичной сети в ваттах.
S = 1,2 · √75 = 1,2 · 8,66 = 10,4 см².
По значению S
определяется число витков w
на один вольт по формуле:
w = 50/S
В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв.
w = 50/10,4 = 4,8
витка на 1 вольт.
Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.
Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:
W1 = U_1 · w = 220 · 4.8 = 1056 витка.
Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:
W2 = U_2 · w = 36 · 4,8 = 172.8 витков
,
округляем до 173 витка
.
В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.
Величина тока в первичной обмотке трансформатора:
I_1 = P_1/U_1 = 75/220 = 0,34 ампера
.
Ток во вторичной обмотке трансформатора:
I_2 = P_2/U_2 = 60/36 = 1,67 ампера.
Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока,для медного провода,
принимается 2 А/мм² .
При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле: d = 0,8√I
.
Для первичной обмотки диаметр провода будет:
d_1 = 0,8 · √1_1 = 0,8 · √0,34 = 0,8 · 0,58 = 0,46 мм. Возьмем 0,5 мм
.
Диаметр провода для вторичной обмотки:
d_2 = 0,8 · √1_2 = 0,8 · √1,67 = 0,8 · 1,3 = 1,04 мм. Возьмем 1,1 мм.
ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА,
то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.
Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:
s = 0,8 · d².
где
: d – диаметр провода
.
Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1
мм.
Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1
мм. равна:
s = 0,8 · d² = 0,8 · 1,1² = 0,8 · 1,21 = 0,97 мм²
.
Округлим до 1,0
мм².
Изтаблицывыбираем диаметры двух проводов сумма площадей сечения которых равна 1.0 мм².
Например, это два провода диаметром по 0,8 мм
. и площадью по0,5 мм²
.
Или два провода: – первый диаметром 1,0 мм
. и площадью сечения 0,79 мм²
,– второй диаметром 0,5 мм
. и площадью сечения 0,196 мм²
.что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².
Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.
Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.
Смотрите статьи:– «Как намотать трансформатор на Ш-образном сердечнике».– «Как изготовить каркас для Ш – образного сердечника».
Электрический аппарат – трансформатор используется для преобразования поступающего переменного напряжения в другое – исходящее, к примеру: 220 В в 12 В (конкретно это преобразование достигается использованием понижающего трансформатора). Прежде чем разбираться с тем, как рассчитать трансформатор, вы в первую очередь должны обладать знаниями о его структуре.
Простейший трансформатор является компоновкой магнитопровода и обмоток 2-х видов: первичной и вторичной, специально намотанных на него. Первичная обмотка воспринимает подающееся переменное напряжение от сети (н-р: 220 В), а вторичная обмотка, посредством индуктивной связи создает другое переменное напряжение. Разность витков в обмотках влияет на выходное напряжение.
Поляризация
Поляризация пока не принималась во внимание, но ее необходимо уточнить. При рассмотрении дипольного излучателя ранее мы предполагали, что он идеально совмещен с приемником
Теперь предположим, однако, что приемная антенна имеет круговую поляризацию, и минимальные поляризационные потери будут составлять 3 дБ независимо от ориентации антенны. Если приемник также является диполем, его можно выровнять перпендикулярно передатчику, так что теоретически принимается нулевая энергия. Однако эти поляризационные потери не учитываются при расчете ERP или EIRP. Напротив, разработчик принимающей системы должен соответствующим образом учесть эту потерю. Например, вышка сотового телефона имеет фиксированную линейную поляризацию, но мобильный телефон должен хорошо работать при любой произвольной ориентации. Следовательно, конструкция трубки может обеспечивать прием с двойной поляризацией на трубке, так что захваченная энергия максимизируется независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учитывать дополнительные 3 дБ потерь с усилением.
Выделенная мощность и вводной автомат
В соответствии со значением выделенной мощности в электрощите, куда поступает внешний силовой кабель электросети, устанавливается соответствующий вводной автомат (или автоматический выключатель), который размещается сразу после электросчетчика.
Устройство представляет собой коробку с выключателем, предназначенную для защиты всей электропроводки дома от перегрузки и токов короткого замыкания, а также общего отключения его электропитания от внешней линии. Как правило, после вводного автомата, ставятся дополнительные автоматические выключатели на различные виды нагрузок.
Вводные автоматы могут быть однополюсными, двухполюсными (используются в однофазных электросетях) и трёхполюсными (применяются в трёхфазной сети и позволяют отключать каждую фазу). Например, при разрешенной мощности 5,5 кВт в электрощите будет установлен вводной автомат на 25 А (С25). В интернете можно легко найти таблицы, в которых указана разрешенная мощность каждой модели автоматического выключателя.
Как определить, какая выделенная мощность электроэнергии в вашем доме?
Существует несколько способов определения точной выделенной мощности, которую имеет частный дом или дачный участок.
1) Посмотреть номинал вводного автомата
Проще всего определить выделенную мощность электроэнергии на дом по значению рабочего тока, на который рассчитан вводной автомат, установленный в электрощите. Для этого потребуется выполнить простой расчет. Например, на корпусе вводного автомата указан рабочий ток в значении 32 А. Необходимо воспользоваться следующей формулой: P макс = U x I, где:
- U – номинальное напряжение сети (220 или 230 В – будет зависеть от того, какое сетевое напряжение подается в дом);
- I – показатель рабочего тока вводного автомата в амперах.
Проблема данного способа заключается в том, что номинал вводного автомата не всегда совпадает с официальной выделенной мощностью.
Например, такое встречается, когда была выполнена модернизация внешней линии с увеличением ее мощности, а также если электропроводка давно не менялась или её монтаж выполнен некачественно.
Если выделенная мощность электроэнергии значительно превышает возможности вводного автомата, то будет целесообразно его заменить и привести в соответствие всю электропроводку в доме.
2) Обратиться к эксплуатирующей организации
Выделенную мощность на дом также можно узнать в договоре на электроснабжение. Если он отсутствует, то необходимо обратиться к эксплуатирующей организации, которая должна выдать справку о фактическом электропотреблении и установленной мощности. В Москве и Московской области этим занимается ОАО «Мосэнергосбыт». Компания предоставляет услугу платно, ее стоимость составляет в среднем 2 тысячи рублей.
Если частный дом обслуживает управляющая компания, то именно она обязана выдать собственнику справку о выделенной мощности или разрешение на подключение к электросетям дома и акт разграничения балансовой принадлежности и эксплуатационной ответственности.
В СНТ данными по выделенной мощности на каждый участок владеет председатель товарищества, который об этом должен проинформировать его пользователей.
3) Изучить договор энергоснабжения
Узнать выделенную мощность можно в договоре на энергоснабжение индивидуального жилого дома (домовладения) между ОАО «Мосэнергосбыт» и собственником. Информация об этом обычно указывается в разделе «Предмет договора» со следующей формулировкой: максимальная мощность домовладения определяется исходя из параметров технологического присоединения энергопринимающих устройств абонента к электрическим сетям и составляет 5 кВт.
Расчет суммарной потребляемой мощности нагрузки в доме
Расчет суммарной потребляемой нагрузкой мощности необходим, чтобы выяснить, достаточно ли будет мощности для обеспечения электроэнергией имеющихся электроприборов и подключение новых потребителей в будущем.
Потребляемая всей нагрузкой мощность рассчитывается как сумма потребляемой мощности всех приборов, включенных единовременно. Для этого требуется узнать максимальную активную мощность каждого потребителя с учетом его пусковых токов. Она указывается на «шильдике» или в техпаспорте устройства и измеряется в Вт.
Также можно встретить обозначение потребляемой мощности в вольт-амперах (ВА). Но это не одно и то же значение. В ваттах измеряется активная мощность (обозначается буквой «Р»), в вольт-амперах – полная (обозначается буквой «S»). Для расчета максимальной нагрузки потребуется именно значение в Вт. Для перевода ВА в Вт необходимо воспользоваться онлайн-калькулятором или формулой: Р = S х сos(φ), где сos(φ) – коэффициент мощности (если он неизвестен, то обычно берут среднее значение, которое равно 0,8).
После расчета суммарной потребляемой мощности нагрузки требуется добавить резерв, учитывающий возможное увеличение количества потребителей в будущем. Как правило, добавляется еще 20-30 % от величины максимальной нагрузки.
Проблемы с низкой частотой
В случае средневолновых (AM) станций в США ограничения мощности устанавливаются на фактическую выходную мощность передатчика, и ERP не используется в обычных расчетах. Всенаправленные антенны, используемые рядом станций, излучают сигнал одинаково во всех направлениях. Направленные решетки используются для защиты станций на одном или соседних каналах, обычно в ночное время, но некоторые из них работают направленно 24 часа в сутки. В то время как эффективность антенны и проводимость земли учитываются при проектировании такой решетки, база данных FCC показывает выходную мощность передатчика станции, а не ERP.
Анализ функционирования предприятия
Анализ деятельности требуется для получения показателя производственной мощности, который будет отражать работу предприятия при оптимальном использовании ресурсов и загрузке оборудования. Анализ проводится следующим образом:
- подсчет количества используемого оборудования – предполагается, что в организации применяется ограниченное количество единиц аппаратуры или техники;
- определение временного промежутка, который затрачивается на обработку и изготовление одного экземпляра продукции;
- определение оптимального значения количества товаров, которое можно изготовить за установленный временной период.
Для чего нужно анализировать критическую точку
Анализ критической точки необходим для получения реального показателя производственной мощности, по которому ресурсы предприятия будут использоваться в оптимальном режиме. Процесс подразумевает составление графиков зависимости между понесенными финансовыми затратами и доходами, полученными исходя из объема выпускаемой продукции. Точка пересечения графиков указывает на показатель производственной мощности, при достижении которого предприятие работает «в ноль», то есть не несет убытков.
Закон Ома.
Основным законом, которым руководствуются радиолюбители — является Закон Ома..
Георг Симон ОМ
Georg Simon Ohm, 1787–1854
Немецкий физик. Родился в Эрлангене 16 марта в 1787 году (по другим источникам он родился в 1789-м). Окончил местный университет. Преподавал математику и естественные науки. В академических кругах его признали достаточно поздно. В 1849 году стал профессором Мюнхенского университета, хотя уже в 1827 году он опубликовал закон, который теперь носит его имя. Помимо электричества занимался акустикой и изучением человеческого слуха.
Георг Ом экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, на который не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника.
I = U/R, где R — электрическое сопротивление проводника.
Уравнение это выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока). Формулировка этого закона следующая:Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорционально его сопротивлению.
Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого. Сопротивление проводника в 1 Ом будет в том случае, если при протекающем по нему токе в 1 Ампер, падение напряжения на нём будет 1 Вольт.
Так же при прохождении тока по проводнику, на нём выделяется мощность(он нагревается), и чем больше протекающий по нему ток, тем больше выделяемая на нём мощность.
Как Вы должны знать U — это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I — количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока в Ваттах.
Вывод: поскольку электрическая мощность «P» в одинаковой степени зависит от тока «I» и от напряжения «U», то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе.
Из всего этого вытекают следующие формулы для расчётов тока, напряжения, сопротивления, мощности.
Величины, проставляемые в этих формулах; напряжение в вольтах, сопротивление в омах, ток в амперах, мощность в ваттах.
Последняя формула определяет мощность тока и выведена на основании практических опытов, проделанных в 1841 году Д. П. Джоулем и независимо от него в 1842 году, опытами Э. Х. Ленца. Называется Законом Джоуля — Ленца. Звучит так;
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка.
Для определения всех этих величин, есть очень интересная диаграмма (таблица), где отражены все эти формулы.
В центре искомые величины, а в секторах с соответствующими цветами — варианты решений в зависимости от известных величин.
Имеется ещё более упрощённая диаграмма для определения величин, исходя из закона Ома. Называется в простонародье — треугольник Ома.
Выглядит она следующим образом:
В этом треугольнике Ома, нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для ее вычисления.
Закон Ома также применяется ко всей цепи, но в несколько изменённой форме:
- ,
- — ЭДС цепи,
- I — сила тока в цепи,
- R — сопротивление всех элементов цепи,
- r — внутреннее сопротивление источника питания.
Закон Ома для полной цепи звучит так — Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника.
