Измерительный источник питания постоянного тока

Источники питания постоянного тока

Источник питания GPD-74303S

Напряжение В: 30 Ток А: 3 Максимальное напряжение 1 канал: 30 В; Максимальное напряжение 2 канал: 30 В; Максимальное напряжение 3 канал: 10 В; Макс. напряжение 4 канал: 5; Максимальный ток 1 канал: 3 А; Максимальный ток 2 канал: 3 А; Максимальный ток 3 канал: 3 А; Макс. ток 4 канал: 1; Максимальная мощность: 195 Вт; Тип преобразования: Линейный; Возможность объединение каналов: Да; ДУ (интерфейс): USB; Особенности: Дискретность установки 1 мВ/ 1 мА. Горячие клавиши для быстрого доступа к четырем ячейкам памяти. Блокировка кнопок.; Госреестр СИ: №49221-12 до 17.02.2022 г.

Источник питания GPS-74303A

Напряжение В: 32 Ток А: 3 Максимальное напряжение 1 канал: 32 В; Максимальное напряжение 2 канал: 32 В; Максимальное напряжение 3 канал: 5 В; Макс. напряжение 4 канал: 15; Максимальный ток 1 канал: 3 А; Максимальный ток 2 канал: 3 А; Максимальный ток 3 канал: 1 А; Макс. ток 4 канал: 1; Максимальная мощность: 192 Вт; Тип преобразования: Линейный; Возможность объединения каналов: Да; Особенности: Дискретность установки 10 мВ/ 1 мА. 2-х полярный выход. Нестабильность от 0,01 %, пульсации 1 мВ ср. кв., 3 мА ср. кв. Аналоговое управление включения выхода; Госреестр СИ: №68671-17 до 22.10.2022 г.

Источник питания PLR7 36-10

Напряжение В: 36 Ток А: 10 Тип прибора: источник питания постоянного тока; Максимальное напряжение 1 канал: 36 В; Максимальный ток 1 канал: 10 А; Максимальная мощность: 360 Вт; Тип преобразования: Импульсный (гибридный); Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232, опция — GPIB+USB, опция — LAN+USB, опция — Аналоговый; 19” форм фактор: да; Особенности: Импульсные источники питания постоянного тока нового поколения с минимальным уровнем пульсаций (0,5 мВскз/ 10 мАскз). Защита от перенапряжения, перегрузки по току, пониженного напряжения сети питания, защита от перегрева и переполюсовки. Таймер на отключение 1мин . 1000 часов. Внутренняя программа – 1000 шагов, минимальное время шага 50 мс. Параллельное и последовательное соединение источников. 3 рабочих профиля с передней панели.; Масса (кг): 5,2; Госреестр СИ: №74819-19 до 17.04.2024 г.

Источник питания PPH-71503

Напряжение В: 15 Ток А: 5 Максимальное напряжение 1 канал: 15 В; Максимальный ток 1 канал: 5 А; Максимальная мощность: 45 Вт; Тип преобразования: Линейный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): USB, LAN, GPIB; Особенности: Два диапазона. Дискретность установки 1 мВ/ 0,1 мкА для предела «5 мА». Возможность рассеивания входной мощности (максимальный потребляемый ток 2 А). Режим измерения импульсного тока. Выходные гнезда на передней и задней панели.; Госреестр СИ: №68671-17 до 22.10.2022 г.

Источник питания PPH-71503D

Напряжение В: 15 Ток А: 5 Максимальное напряжение 1 канал: 15 В; Максимальное напряжение 2 канал: 12 В; Максимальный ток, 1 канал: 5; Максимальный ток, 2 канал: 1,5; Максимальная мощность: 45 Вт; Тип преобразования: Линейный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): USB, LAN, GPIB; Особенности: Два диапазона. Дискретность установки 1 мВ/ 0,1 мкА для предела «5 мА». Возможность рассеивания входной мощности (максимальный потребляемый ток 2 А). Режим измерения импульсного тока. Выходные гнезда на передней и задней панели. Моделирование реальной батареи с эмуляцией выходного импеданса. Формирование последовательности (до 1000 шагов). Высокое быстродействие.; Госреестр СИ: №68671-17 до 22.10.2022 г.

Источник питания PSB7 2400L

Напряжение В: 80 Ток А: 40 Максимальное напряжение 1 канал: 80 В; Максимальный ток 1 канал: 40 А; Максимальная мощность: 400 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232, USB, Опция — GPIB; Особенности: Нелинейная ВАХ. Последовательное и параллельное соединение однотипных источников.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSB7 2800H

Напряжение В: 800 Ток А: 6 Максимальное напряжение 1 канал: 800 В; Максимальный ток 1 канал: 6 А; Максимальная мощность: 800 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232, USB, Опция — GPIB; Особенности: Нелинейная ВАХ. Последовательное и параллельное соединение однотипных источников.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSU7 12.5-120

Напряжение В: 12,5 Ток А: 120 Максимальное напряжение 1 канал: 12,5 В; Максимальный ток 1 канал: 120 А; Максимальная мощность: 1 500 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232/ RS-485, USB, LAN, Аналоговый, Опция — GPIB; 19” форм фактор: да; Особенности: 4-разрядный дисплей. Встроенный источник звукового предупреждения.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSU7 20-76

Напряжение В: 20 Ток А: 76 Максимальное напряжение 1 канал: 20 В; Максимальный ток 1 канал: 76 А; Максимальная мощность: 1 520 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232/ RS-485, USB, LAN, Аналоговый, Опция — GPIB; 19” форм фактор: да; Особенности: 4-разрядный дисплей. Встроенный источник звукового предупреждения.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSU7 40-38

Напряжение В: 40 Ток А: 38 Максимальное напряжение 1 канал: 40 В; Максимальный ток 1 канал: 38 А; Максимальная мощность: 1 520 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232/ RS-485, USB, LAN, Аналоговый, Опция — GPIB; 19” форм фактор: да; Особенности: 4-разрядный дисплей. Встроенный источник звукового предупреждения.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSU7 6-200

Напряжение В: 6 Ток А: 200 Максимальное напряжение 1 канал: 6 В; Максимальный ток 1 канал: 200 А; Максимальная мощность: 1 200 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232/ RS-485, USB, LAN, Аналоговый, Опция — GPIB; 19” форм фактор: да; Особенности: 4-разрядный дисплей. Встроенный источник звукового предупреждения.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник питания PSU7 60-25

Напряжение В: 60 Ток А: 25 Максимальное напряжение 1 канал: 60 В; Максимальный ток 1 канал: 25 А; Максимальная мощность: 1 500 Вт; Тип преобразования: Импульсный; Возможность программирования: Да; ДУ (интерфейс): RS-232/ RS-485, USB, LAN, Аналоговый, Опция — GPIB; 19” форм фактор: да; Особенности: 4-разрядный дисплей. Встроенный источник звукового предупреждения.; Госреестр СИ: №62529-15 до 30.11.2020 г.

Источник

Чем генерируется постоянный ток: обзор источников питания, их преимуществ и недостатков

Приводы многих механизмов и целый ряд электронных устройств работают на постоянном токе. Последний генерируется разными способами.

О том, как устроен источник постоянного тока и какие существуют его разновидности, расскажет данная статья.

Источники питания постоянного тока

Постоянный ток получают посредством таких устройств:

гальванические элементы — батарейки и аккумуляторы: разделение положительных и отрицательных зарядов осуществляется за счет химического взаимодействия;
генераторы постоянного тока: превращают механическую энергию в электрическую;
выпрямители: преобразуют переменный ток в постоянный;
фотоэлементы (солнечные батареи) и термоэлементы: превращают в электричество энергию, соответственно, света и тепла.

Наиболее распространены первые три разновидности, они и будут рассматриваться подробно.

Батарейки

Получение разности потенциалов химическим путем удобно показать на простом примере — цинковом стержне, помещенном в серную кислоту. Положительно заряженные атомы цинка притягивают к себе отрицательные ионы кислоты и под их воздействием отрываются от стержня.

Последний в результате этого становится отрицательно заряженным, кислота же приобретает положительный заряд.

Для подключения к положительному полюсу Алессандро Вольта, первооткрыватель данного явления, опустил в раствор медный стержень. При подключении нагрузки, электроны с цинкового стержня перемещаются через нее к медному.

Недостаток данного решения — образование газообразного водорода на медной пластине, затрудняющего работу элемента. Поэтому в современных батарейках вместо меди применяют другие материалы, например, графит в оболочке из диоксида марганца (последняя поглощает газ). Серная кислота заменена раствором нашатырного спирта.

Применяются и другие сочетания материалов, например:

марганец и олово;
марганец и магний;
свинец и цинк;
свинец и кадмий;
свинец и хлор;
цинк и хром.

Аккумулятор

Емкость аккумулятора, в отличие от батарейки, после разрядки можно восполнить подключив к источнику электрической энергии.

Материалы также используются разные. К примеру, в автомобильных аккумуляторах аноды делают из двуокиси свинца, катоды — из губчатого свинца. Роль электролита играет раствор H₂SO₄.

Указаны материалы так называемой активной массы электродов. Основание же их является свинцово-кальциевым или свинцово-сурьмяным.

При разрядке происходит такое же взаимодействие, как и в элементе Вольта: отрицательные ионы серной кислоты притягиваются к положительным атомам свинца с образованием сульфата свинца, так что электрод приобретает отрицательный заряд, электролит — положительный.

Попутно из освободившегося водорода и кислорода, выделяющегося из двуокиси свинца, образуется вода, что приводит к снижению плотности электролита. По этому параметру определяют уровень заряда аккумулятора.

При зарядке происходит обратный процесс: сульфат свинца и вода превращаются в серную кислоту, свинец и диоксид свинца.

Литий-ионный аккумулятор

Мобильные телефоны, ноутбуки, прочие электронные устройства, а также электромобили сегодня оснащают литий-ионными аккумуляторами. Электроды такого источника изготавливают путем нанесения катодного материала на фольгированный алюминий и анодного — на медную фольгу.

Заряд переносится положительно заряженными атомами лития. Они обладают способностью встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов — солей и оксидов металлов, графита. При этом образуется химическая связь, например, в оксиде марганца — LiMnO2, в графите — LiC6.

В качестве отрицательной пластины сегодня применяют графит, в первых версиях это были металлический литий и каменноугольный кокс.

Катодные материалы используются такие:

лития кобальтат (LiCoO2);
литий-феррофосфат (LiFePO4);
растворы на основе никелата лития (в твердом агрегатном состоянии);
шпинель литий-марганцевая (LiMn2O4).

Достоинства литий-ионных аккумуляторов:

значительная емкость;
низкий саморазряд;
мизерный эффект памяти (практически нулевой).

Эти источники комплектуются контроллерами разряда. Устройство отключает батарею при перегреве и при сокращении разряда ниже критического уровня.

Генераторы

Генератор DC в основном устроен так же, как и переменный: в магнитном поле вращается ротор с обмотками и в последних, из-за постоянного изменения магнитного потока наводится ЭДС (закон электромагнитной индукции). Разница состоит в наличии коллектора — приспособления из полуколец, благодаря которому на токосъемные щетки всегда подается ЭДС с одной полярностью.

В каждом витке рамки ЭДС пульсирует — меняется при вращении от нуля до максимума. Применением обмотки из множества витков, расположенных по определенному закону, добиваются сглаживания пульсаций.

Выпрямители

Преобразование переменного тока в DC осуществляется посредством полупроводниковых приборов с односторонней проводимостью — диодов. Существует несколько разновидностей выпрямителей.

Для сглаживания пульсаций используется конденсатор: пока диод пропускает ток, он заряжается, а в течение второго полупериода отдает заряд. При частоте входного переменного тока 50 Гц требуемая емкость конденсатора слишком велика (от 2000 до 5000 мкФ).

Поэтому на таких частотах выпрямители данного типа применяют крайне редко. Импульсные блоки питания дают на выходе переменный ток намного большей частоты — 10-15 кГц. Здесь использование однополупериодных выпрямителей вполне уместно. Таким блоком питания является, например, зарядное устройство мобильного телефона.

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

нерациональное использование трансформатора;
значительное обратное напряжение на диоде.

Двухполупериодные пропускают ток в обоих полупериодах, есть две разновидности таких выпрямителей:

схема со средней точкой. Это два однополупериодных выпрямителя, подключенные параллельно. Для работы схемы нужен особый трансформатор со средним выводом из вторичной катушки: с одной части катушки ток подается на нагрузку по 1-му диоду, со второй во втором полупериоде — по 2-му. Выпрямитель применялся, когда полупроводниковые приборы были дороги и сокращение их числа вдвое оправдывала использование более металлоемкого трансформатора. Сегодня рациональнее применять мостовую схему на 4-х диодах;
мостовая схема. Представляет собой 4 диода, подключенные в виде квадрата. В одну диагональ включается нагрузка, на другую — подается переменное напряжение. Для сглаживания пульсаций используется LC-фильтр или только конденсатор.

Мостовая схема относится к наиболее распространенным, ее достоинства:

не требуется трансформатор со средним выводом, возможно подключение напрямую к электросети;
обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в однополупериодном аналоге.

Характеристики

Батареи и аккумуляторы характеризуются такими основными параметрами:

номинальное напряжение;
номинальная емкость. Измеряется в ампер-часах (А*ч) или миллиампер-часах (мА*ч);
номинальный ток нагрузки;
саморазряд. Обозначает, как быстро уменьшается заряд в батарее при ее бездействии. К примеру, саморазряд литий-ионного аккумулятора при температуре +25 0 С составляет 1,6% в мес.;
температура эксплуатации.

Для автомобильных аккумуляторов важны:

резервная емкость. Время, в течение которого источник при падении напряжения до 10,5 В способен выдавать ток в 25 А. В норме составляет не менее 90 мин;
ток холодной прокрутки. Сила тока, генерируемая аккумулятором при температуре -18 0 С в течение 10 сек. с напряжением на клеммах не ниже 7,5 В. Этот параметр характеризует способность устройства запустить двигатель автомобиля зимой.

Пульсирующий ток на выходе выпрямителя принято раскладывать на постоянную и переменную составляющую, при этом он характеризуется:

максимальным и минимальным значением Imax и Imin;
амплитудой переменной составляющей Iac;
величиной постоянной составляющей Idc;
коэффициентом пульсаций (отношение амплитуды переменной составляющей к величине постоянной).

Регулируемые источники

Регулируемый источник состоит из таких компонентов:

понижающий трансформатор;
выпрямитель;
сглаживающий фильтр (устраняет пульсации);
стабилизатор постоянного напряжения.

Стабилизатор постоянного напряжения — интегральная микросхема, поддерживающая выходное напряжение на одном уровне, независимо от его колебаний на входе.

Колебаний обусловленных перепадами напряжения в электросети, изменением тока нагрузки или температуры. Блоки с такими стабилизаторами называют регулируемыми.

Сегодня распространены импульсные блоки питания, они состоят из таких компонентов:

входной выпрямитель;
инвертор;
понижающий высокочастотный трансформатор;
выходной выпрямитель.

Инвертор превращает предварительно выпрямленный ток снова в переменный, но при этом значительно повышает его частоту — до 10-15 кГц. При такой частоте, габариты трансформатора и потери в нем значительно сокращаются. Инвертор состоит из ключевых транзисторов, управляемых микросхемой.

Этот же принцип реализован в сварочных инверторах, чем и объясняется их компактность.

Схемы

Однополупериодный выпрямитель. Простейшая схема с минимальным количеством элементов. Качество выпрямленного напряжения невысокое.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой. Уровень пульсаций U в данном случае ниже по сравнению с предыдущим вариантом.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема. Самый популярный вариант для промышленной аппаратуры. В схеме используется 4 диода. Сглаживает пульсации напряжения RC-фильтр, установленный на выходе. Нередко его заменяет электролитический конденсатор.

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Видео по теме

Как сделать регулированный источник питания постоянного тока:

В основном постоянный ток получают от батарей и выпрямителей. Последний можно изготовить самостоятельно по одной из приведенных схем. Важно установить конденсатор с правильной емкостью для сглаживания пульсаций: при использовании элемента с заниженной емкостью, ток на выходе окажется низкокачественным.

Источник

Метрологические аспекты измерений уровня пульсаций в источниках питания постоянного тока

Константин Бондин,
генеральный директор
ООО «Профигрупп»
bondin@pg-spb.ru

Андрей Зуйков,
инженер-метролог

Сергей Липатов,
инженер-конструктор

Каждое техническое средство обладает уникальными параметрами. В ходе практической деятельности выработаны методы по контролю и подтверждению данных параметров: испытания, проверки, калибровки, поверки. Созданы системы качества, программы постановки на производство и прочие регламенты, управляющие процессом выпуска продукции с требуемыми характеристиками.

На данный момент в отношении типовых агрегатов выпускаемых технических средств существуют стандартные методы контроля (измерений) их параметров, зафиксированные в ГОСТах и конструкторской документации, а также имеющие достаточную степень детализации и актуализируемые по мере необходимости в связи с появлением новых измерительных технологий и средств измерений.

Мы, производители такого типового технического средства, как источник питания (ИП) постоянного тока, были полностью уверены, что все методики измерений контролируемых параметров стандартизованы и апробированы тысячью пользователей и практически совершенны в методологическом плане. Но практическая деятельность заставила нас усомниться в данном утверждении.

Своеобразной темной лошадкой источников питания стал такой параметр, как пульсации электрического тока — достаточно распространённая техническая характеристика, активно применяемая при нормировании параметров источников питания. Методология его контроля проста как в техническом плане, так и в практической реализации.

Метод измерения пульсаций выходного тока

Определение пульсаций выходного тока проводят методом косвенных измерений, определяя падение напряжения на нагрузке микровольтметром переменного напряжения В3-57 (рис. 1).

Рис. 1. Измерительная схема контроля пульсаций

В большинстве методик поверки определение погрешности прибора выполняется при максимальном выходном токе и напряжении, равном 90% от конечного значения диапазона измерений.

Определение пульсаций проводят в следующем порядке:

К выходу поверяемого прибора подключают катушку электрического сопротивления Р310, Р321 (в зависимости от выходного тока источника).
К потенциальным зажимам катушки подключают микровольтметр В3-57.
Органами управления поверяемого прибора устанавливают выходное напряжение, соответствующее 90% от конечного значения диапазона измерений.
Для получения максимального значения выходного тока и 90%-о уровня выходного напряжения с помощью нагрузки устанавливают требуемое значение сопротивления.
Измеряют пульсации напряжения, фиксируя показания микровольтметром В3-57.
За результат измерения принимают значение, рассчитанное по формуле:

ИП считается прошедшим поверку по данному пункту, если значение пульсации выходного тока в режиме стабилизации тока не превышает 5 мА среднеквадратического значения.

Однако реализация описанного метода различными пользователями при, казалось бы, широких допусках продемонстрировала огромный разброс данного параметра, зачастую превышая пределы допусков в десятки раз.

Несложное исследование данного метода измерения дало интересные результаты. Применение при контроле пульсаций двух номиналов катушек сопротивлений Р310: 0,01 Ом и 0,001 Ом показало тысячекратное изменение уровня пульсаций при использовании одного и того же режима работы ИП, хотя по закону Ома значения измеряемого переменного напряжения должны были отличаться не более чем в 10 раз. Опыты при применении катушки Р323 номиналом 0,0001 Ом подтвердили эту тенденцию и показали полную несостоятельность предложенного метода измерений.

Было замечено значительное уменьшение уровня пульсаций при применении скрутки измерительных проводов, что натолкнуло нас на мысль исследовать вопрос электромагнитной составляющей природы этого явления (рис. 2).

Рис. 2. Измерительный кабель В3-57. Применение скрутки измерительных проводов значительно влияет на результат измерений пульсаций

Нормированные уровни индустриальных помех, допускаемые для современной техники, определяются множеством ГОСТов в зависимости от специфики устройства. Общая методика определения данного уровня помех регламентирует контроль параметров на уровнях единиц мкВ на расстоянии 3 и 10 м от испытуемого изделия. Однако на практике средства измерений находятся в непосредственной близости друг от друга, и уровни фактических помех, воздействующих на измерительные цепи средств измерений, никем не контролируются и должным образом не учитываются.

Применительно к нашему случаю мы провели практическое исследование уровня помех, регистрируемых измерительной схемой при контроле пульсаций (В3-57), и пересчитали в величину уровня пульсаций. Полученные результаты объяснили разброс показаний, наблюдаемый при контроле пульсаций разными пользователями и лабораториями.

Анализ гостированных методов измерений пульсаций, выполняемых при помощи осциллографа по ГОСТ 18953-73, показал незаконность использования данного метода в настоящее время, но на практике измерение по ГОСТ 18953-73 практически не применяется в утвержденных методиках поверки. Ранее действующий ГОСТ отменен и внедрен международный ГОСТ Р 54364-2011 (IEC 61204:2001) «Низковольтные источники питания постоянного тока. Эксплуатационные характеристики», регламентирующий новые подходы в контроле пульсаций:

дифференциальный метод измерения;
метод испытания нагрузочной вилкой.

Практическое применение данных методов вызвало больше вопросов, чем их отмена: при их использовании зафиксировать какие-либо критические уровни пульсаций не удалось. ТаРис. 3. Оснастка для контроля пульсаций по ГОСТ Р 54364-2011 ким образом, создается впечатление, что любой выпускаемый сегодня ИП гарантированно не имеет критических уровней пульсаций (рис. 3).

Рис. 3. Оснастка для контроля пульсаций по ГОСТ Р 54364-2011

Метод испытания нагрузочной вилкой (рис. 4) показал свою низкую чувствительность, начинающуюся на уровне 3 мА. При этом метод определяется чувствительностью токового пробника (токовых клещей) при контролируемом уровне пульсаций по току в диапазоне 2–5 мА.

Рис. 4. Метод испытания нагрузочной вилкой

Анализ методик измерений других производителей, в том числе иностранного производства, поражает многообразием применяемых способов. В зависимости от технического исполнения и мощности ИП разнятся и методы контроля данного параметра:

при помощи осциллографа с закрытым входом;
включением в измерительную цепь ИП обратной полярности;
при помощи дифференциальных пробников;
применением нагрузочных вилок и токовых клещей;
применением токовых шунтов и электронных нагрузок;
использованием ферритовых колец в измерительной схеме;
снятием показаний непосредственно с нагрузочных сопротивлений.

В конечном итоге все указанные методы сводятся к контролю уровня переменного напряжения.

Проведя анализ схемотехнических решений в исполнении источников питания, мы пришли к выводу, что пульсации постоянного тока — это характеристика стабилизатора ИП в режиме стабилизации тока. Пульсации тока выражены безразмерной величиной относительно величины рабочего тока и определяются двумя факторами:

режимом работы источника питания;
номиналом постоянного тока, генерируемого ИП.

Анализ составляющих формулы (1) показывает, что величина постоянного и переменного тока напрямую зависит от нагрузки, на которую работает ИП, разного поведения одной и той же нагрузки для постоянного и переменного тока (активной и реактивной составляющей).

При производстве универсальных источников питания нет информации о специфике будущей рабочей нагрузки, и при настройке и регулировке используется нагрузка, имеющая в большей части активную составляющую. Логично выглядит идея, что и при проведении контрольных операций с источником питания следует применять аналогичную нагрузку, имеющую в большей степени активную составляющую.

Анализ методов контроля пульсаций показывает активное применение электронных нагрузок. Функционал данных устройств, безусловно, удобен для воспроизведения необходимых режимов работы ИП. Но для контроля параметров пульсаций ИП критичным параметром становятся собственные пульсации и стабильность работы электронных нагрузок, которые в должном объеме никто не исследовал. Поэтому применение в методиках контроля пульсаций данных устройств, по нашему мнению, неприемлемо. В процессе производства ИП для контроля технических параметров нами было разработано устройство, максимально учитывающее специфику измерительной задачи, — реостат электронно-управляемый (РЭУ), технические характеристики которого приведены в таблице.

В основу конструкторского решения реализации РЭУ легли реальные сопротивления, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. Подбор номиналов и нагрузочной способности данных резисторов определяется режимом работы источника в контролируемой точке. Избыток тепла, выделяемого на нагрузке, отводится из корпуса РЭУ при помощи принудительной вентиляции.

Запас по мощности на нагрузочных сопротивлениях, низкие требования к точности задания номинала сопротивления и система внутреннего мониторинга измерений — система защиты позволяет использовать измерительные точки других режимов работы РЭУ для более тщательного исследования поведения управляющей системы источника питания и корректности функционирования во всем диапазоне работы, исключая возможность повреждения РЭУ.

Фактически при поверке (проверке, калибровке) ИП необходимо проверить (изучить):

поведение управляющей системы источника питания;
корректность функционирования во всем диапазоне работы.

Для успешного выполнения этих задач РЭУ обладает следующими особенностями:

нагрузочные сопротивления имеют запас по мощности;
система внутреннего мониторинга измерений — система защиты позволяет безболезненно использовать измерительные нагрузочные номиналы соседних режимов работы РЭУ.

Плата коммутации выполнена на мощных транзисторах, исключающих процесс искрообразования и значительные потери на самом элементе. Конструкция плат выполнена с максимальным экранированием от генерирования собственных наводок на внешние проводники и улавливания внешних.

Конструктивно корпус РЭУ (рис. 5) выбран в исполнении, максимально исключающем прохождение внешних наводок внутрь корпуса. Разделение узлов и расположение их внутри корпуса минимизирует возможное взаимное влияние и распространение внутри корпуса потенциальных наводок. Измерительная часть дополнительно экранирована. Контрольный шунт выполнен из манганинового сплава, что в долгосрочной перспективе гарантирует стабильные характеристики его номинала.

Рис. 5. Реостат электронно-управляемый РЭУ-03

Внутренние источники питания, необходимые для работы цифровой части РЭУ, выполнены в индивидуальных модулях и отделены экранами от самих нагрузочных сопротивлений и измерительной части схемы.

Все эти конструкторские решения позволили нам минимизировать величины вероятных наводок до уровня десятых милливольт и миллиампер. Дальнейшая работа по уменьшению собственных наводок не представляется целесообразной, так как нормированные уровни контролируемых пульсаций составляют единицы милливольт (миллиампер).

Презентация данной нагрузки на выставках и общение с представителями заинтересованных организаций показали актуальность нашей разработки для практикующих метрологов и подсказали пути дальнейшей модернизации РЭУ, по окончании которой устройство можно будет использовать как для работы на переменном напряжении, так и для калибровки трансформаторов тока.

Таблица. Основные технические данные и характеристики РЭУ-03

Источник

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

солевые или «сухие»;
щелочные;
литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

свинцово-кислотные;
никель-кадмиевые щелочные;
литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

однополупериодые выпрямители;
двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Источник

Источники постоянного тока

Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.

Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.

Гальванический элемент

Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.

Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.

В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.

Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.

Аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.

В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.

Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.

Генератор

В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.

Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.

Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.

Солнечный элемент

Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.

Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.

Трансформатор с выпрямителем

Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.

После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.

Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.

Импульсный блок питания

Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.

Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.

Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.

Конденсатор и ионистор

Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.

Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.

Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.

Источник