Загрузка...Дроссель для стабилизатора тока
Дроссель для стабилизатора тока
Источник питания со сглаживающим дросселем
Источники питания со сглаживающими дросселями были очень популярны в период расцвета ламповых усилителей по одной простейшей причине, а именно из-за отсутствия конденсаторов с очень большой емкостью. Поэтому для сглаживания пульсаций после выпрямителя должны были использоваться дроссели (рис. 6.14).
Рис. 6.14 Источник питания со сглаживающим дросселем
Если бы представилась возможность изготовить источник питания со сглаживающим дросселем, в котором величина индуктивности дросселя имела бы бесконечно большое значение, то ток в силовом трансформаторе был бы полностью идентичен постоянному току, протекающему в нагрузке.
На практике источники питания никогда не достигают этого идеала, поэтому ток вторичной обмотки трансформатора представляет собой комбинацию постоянного тока нагрузки и меньшего по величине и приближающегося по форме к синусоидальному, тока дросселя. Тем ни менее, источник питания со сглаживающим дросселем имеет огромное преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает почти неизменный по величине ток, протекающий в цепи от силового трансформатора, а не последовательность коротких импульсов с высокими значениями размаха тока, как при работе выпрямителя на накопительный конденсатор. Для того, чтобы понять, почему это происходит, необходимо очень внимательно рассмотреть форму напряжения на выходе выпрямителя (рис. 6.15).
Рис. 6.15 Форма напряжения после двухполупериодного выпрямления
После двухполупериодного выпрямления, выходное напряжение имеет вид, привеенный на данном рисунке, однако, так как от претерпевает нелинейный процесс выпрямления, набор частот, образующих этот сигнал, отличается от набора частот (фактически одного колебания с частотой 50 Гц), поступающих на вход выпрямителя. Анализ Фурье показывает, что результат выпрямления чисто синусоидального сигнала можно представить в виде суммы высших гармоник:
Необходимо учесть, что член υm(RMS) в формуле является напряжением сигнала до его выпрямления.
Приведенное выше уравнение является математической формой представления периодического сигнала несинусоидальной формы в виде теоретически бесконечного ряда синусоидальных колебаний (гармоник) на частотах, кратных частоте повторения сигнала. На практике, говоря о гармониках непериодического сигнала, всегда ограничиваются их конечным числом, поскольку интенсивность гармоник убывает с ростом их номера. Учитывают только те гармоники, которые образуют примерно 95% общей энергии сигнала. Результат вычисления коэффициентов Фурье (то есть амплитуд гармоник) для нашего частного случая двухполупериодного сигнала дает следующее:
Последнее выражение показывает, что сигнал синусоидальной формы после двухполупериодного выпрямления можно представить набором (или суперпозицией), состоящим из постоянной составляющей (постоянного напряжения), равного 0,90υm(RMS), и последовательности уменьшающихся по амплитуде четных гармоник, кратных частоте (f) исходного синусоидального сигнала.
Таким образом, для фильтрации переменных составляющих выпрямленного тока, целесообразно использовать дроссель имеющий очень высокое реактивное сопротивление для на частотах этих переменных составляющих, поэтому только постоянная составляющая выпрямленного тока будет протекать в нагрузке выпрямителя со сглаживающим дроссельным фильтром. Выходное напряжение источника питания со сглаживающим дросселем, таким образом, будет составлять 0,9υm(RMS), что значительно отличается от значения √2υm(RMS), характерного для источника питания с накопительным конденсатором.
Минимальный ток нагрузки для источника питания со сглаживающим дросселем
К сожалению, для правильной работы источника питания со сглаживающим дросселем требуется наличие некоторого минимального тока, протекающего в нагрузке. Если величина потребляемого нагрузкой тока меньше этого минимально допустимого значения, выпрямитель возвращается к состоянию, когда происходит заряд конденсатора (теперь уже речь идет о сглаживающем конденсаторе, включенном после дросселя) импульсами напряжения и выходное напряжение возрастает до максимального значения, равного √2υm(RMS). Минимальное значение потребляемого тока определяется следующим выражением:
Так как на практике индуктивность дросселя частично зависит от величины протекающего по нему тока (см. кривую намагниченности или В-Н зависимость), то следует несколько увеличить получаемое по расчетам значение. Для этого можно воспользоваться упрощенной формулой, учитывающей такое увеличение (которая будет справедлива для сетей питания переменного тока с частотами 50 и 60 Гц):
Источник питания со сглаживающим дросселем всегда работает на дополнительный сглаживающий конденсатор, в силу чего требование к минимальному значению тока нагрузки приобретает особое значение, так как невыполнение этого условия может вызвать увеличение напряжения на конденсаторе до значения, составляющего примерно 157% от его номинального значения, и которое может привести к выходу конденсатора из строя. Традиционным путем решения данной проблемы является использование переключаемого дросселя, индуктивность которого резко возрастает при малых токах, и хотя такой способ практически перестал применяться после 1960-х годов, в настоящее время он вновь получил признание.
После увеличения тока сверх минимального значения, пульсации выходного напряжения будут постоянными по величине при изменении тока нагрузки, а переменные составляющие выпрямленного синусоидального сигнала будут ослаблены в соответствии с выражением:
в котором ω = 2πf.
Если принять, что только амплитуда второй гармоники выпрямленного тока вносит существенный вклад в образование пульсаций, то указанное выражение может быть представлено в следующем виде:
в которых индуктивность L выражена в генри, а емкость С в микрофарадах, а величина υm(RMS) является напряжением на вторичной обмотке силового трансформатора.
Несмотря на то, что бесконечно большое значение индуктивности обеспечивало бы трансформатору и дросселю номинальную величину тока, равную максимальному значению постоянного тока нагрузки, в реальности они должны обеспечивать несколько большее значение тока, при этом особое значение приобретает правильность выбора номинального значения индуктивности дросселя. Так как магнитный поток сердечника дросселя пропорционален току, протекающему в его обмотке, то при слишком высоких значениях тока сердечник насыщается и его индуктивность падает почти до нуля.
Так как в выходном напряжении выпрямителя можно выделить составляющую постоянного тока и составляющие высших гармоник (переменные составляющие), то в величине номинального тока дросселя необходимо учитывать все эти составляющие. Составляющая постоянного тока представляет собой просто ток нагрузки, однако переменная составляющая требует более внимательного анализа.
Так как в схеме после дросселя включен конденсатор, представляющий короткое замыкание по переменной составляющей, то собственно переменная составляющая выходного напряжения выпрямителя падает только на реактивном сопротивлении дросселя при протекании переменного тока. Если известна величина переменного напряжения на дросселе, то можно рассчитать величину тока.
Как уже указывалось ранее, основную роль в переменной составляющей играет вторая гармоника (как самая интенсивная из существующих), поэтому вычисления могут быть упрощены, если при расчетах учитывать только эту составляющую.
Мгновенное значение переменного напряжения на дросселе выражается:
в котором f представляет частоту второй гармоники напряжения питания сети. Реактивное сопротивление дросселя определяется выражением:
Если теперь воспользоваться законом Ома, то мгновенное значение тока, протекающего через дроссель, составит:
Так как представляет интерес максимальное значение тока, то член cos(2πft), входящий в выражение для мгновенного значения тока, будет иметь максимальное значение, равное единице, поэтому выражение может быть несколько упрощено:
Ранее было высказано утверждение, что основной вклад в переменную составляющую дает вторая гармоника, однако это утверждение требует уточнения. Если вернуться к разложению двухполупериодной последо-вательности в ряде Фурье, то видно, что вклад четвертой гармоники составляет 20% относительно напряжения второй гармоники (0,12/0,6). Так как с увеличением частоты индуктивное сопротивление дросселя (для четвертой гармоники) возрастет вдвое, то величина тока на четвертой гармоники в дросселе снизится в два раза. Таким образом, доля тока четвертой гармоники относительно величины тока второй гармоники составит только 10%. Поэтому использованное допущение оказывается вполне справедливым, и к тому же оставляет место для дальнейшего улучшения характеристик.
Параметрический стабилизатор переменного тока с дросселем насыщения
Параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне
В этой схеме в качестве линейного элемента используется активное сопротивление Rб (балластное), а в качестве нелинейного – кремниевый стабилитрон, включенный в обратном направлении. Данная схема имеет низкий кпд и применяется для стабилизации только при небольших мощностях.
ВАХ кремниевого стабилитрона имеет следующий вид:
Imin – минимальный ток, при котором происходит стабилизация,
Imax– ток, при котором происходит тепловой пробой.
На практике для увеличения напряжения стабилизации часто включают последовательно несколько стабилитронов.
В данной схеме в качестве ЛЭ представлен дроссель Lл, сердечник которого работает в линейном режиме на линейной части петли гистерезиса. Lн – насыщенный нелинейный сердечник. ВАХ имеет точно такой же вид, как было рассмотрено выше в разделе «Принцип действия параметрического стабилизатора». Для того, чтобы дроссель был насыщен необходима значительная реактивная мощность, поэтому кпд и cosφ данной схемы будут невысокими. Чтобы устранить этот недостаток, параллельно Lнвключают конденсатор С, в результате чего получается феррорезонансный стабилизатор.
Где линейный элемент Lл, а нелинейный LнС – феррорезонансный контур.
Рассмотрим векторную диаграмму при резонансе токов:
 |
 |
I = Il + Ic= 0, а сопротивление контура в точке резонанса Zк=U/ I=U/ 0=¥
Построим ВАХ феррорезонансного контура, учитывая характер токов в ветвях.
Характеристику контура получим складывая токи при одинаковых напряжениях.
Суммарная ВАХ имеет характерную точку А – точка феррорезонанса, при этом от сети ток не потребляется, а сердечник уже насыщен, т. е. проявляются нелинейные свойства элемента и происходит стабилизация.
Сопротивление контура при этом, учитывая потери, будет очень большим и активным, поэтому энергетические показатели (КПД и 
) повышаются, по сравнению с первой схемой.
Недостатки данной схемы: малый коэффициент стабилизации т.к. ВАХ нелинейного элемента имеет некоторый подъём. Для устранения этого недостатка в стабилизатор вводится компенсационная обмотка (КО), и схема его имеет вид:
КО имеет небольшое количество витков Wкои располагается на сердечнике линейного дросселя Lл.Она сфазирована так, что напряжение на ней будет находится в противофазе с напряжением на параллельном контуре.
Построим ВАХ КО:
Если стабилизатор работает с неноминальным током, то произойдёт перекомпенсация, т.е. с увеличением Uвх напряжение Uвых будет уменьшаться. КО компенсирует только подъем ВАХ нелинейного элемента.
| | | следующая лекция ==> | |
| Принцип действия параметрического стабилизатора | | | Компенсационный стабилизатор на одном триоде |
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Что такое дроссель и для чего он нужен?
- Конструкция и принцип работы
- Область применения
Конструкция и принцип работы
Прежде всего поговорим о том, из чего состоит данный элемент цепи и как он работает. На схемах обозначение дросселя следующее:
Внешний вид изделия может быть таким, как на фото:
Это катушка из провода намотанного на сердечник с магнитопроводом, или без корпуса в случае высоких частот. Похож на трансформатор только с одной обмоткой. Краткий экскурс в физику, ток в катушке не может мгновенно измениться. Проведем мысленный эксперимент — у нас есть источник переменного тока, осциллограф, дроссель.
Во время начала полу волны мы наблюдаем нарастание тока с запозданием, это вызвано индуцированием магнитного потока в сердечнике. Происходит постепенное нарастание тока в обмотках, когда с источника переменного тока сигнал уходит на спад, мы наблюдаем спад тока в дросселе, опять же с некоторым опозданием, поскольку магнитное поле в магнитопроводе продолжает толкать ток в катушке и не может быстро изменить свое направление. Получается в какой-то момент ток из внешнего источника противодействует току, наведенному магнитопроводом дросселя. В цепях переменного тока назначение дросселя — выступать ограничителем или индуктивным сопротивлением.
Для постоянного тока данный элемент схемы не является сопротивлением или регулирующим элементом. Этот эффект используют для устройств, в электрических цепях, где нужно ограничить ток до нужной величины, при этом избежать излишней громоздкости и выделения тепла.
Интересное пояснение по данному вопросу вы также можете просмотреть на видео:
Область применения
Дроссель предназначен для того, чтобы сделать нашу жизнь светлее. Конкретно в люминесцентных лампах он ограничивает ток через колбу, до нужной величины, избегая его чрезмерное увеличение через лампу.
Люминесцентный светильник в основном состоит из дросселя, стартера, люминесцентной лампы. В двух словах описание работы люминесцентного светильника происходит так:
Из сети ток через дроссель проходит на одну из нитей накала люминесцентной лампы, далее попадает на стартерное устройство, далее на вторую нить накала и уходит в сеть. В стартерном устройстве пластина из биметалла нагревается тлеющим разрядом газа, выпрямляется под действием тепла и замыкает цепь. В этот момент начинают работать нити накала, на концах лампочки, разогревая пары ртути в колбе люминесцентной лампы. Через короткий промежуток времени, пластина в стартере остывает и возвращается в исходное положение. Во время разрыва цепи происходит резкий всплеск напряжения в дросселе, происходит пробой газа в колбе люминесцентной лампы, и возникает тлеющий разряд, лампочка начинает светить, работающая лампа шунтирует стартер, выключая его из цепи более низким сопротивлением.
В электронных схемах современных экономических люминесцентных ламп тоже есть рассматриваемый в статье элемент, но из-за более высоких частот он имеет миниатюрные размеры. А принцип работы и назначение остались те же.
Также дроссель обязательный элемент в схемах ламп ДРЛ, натриевых ламп ДНАТ, металлогалогеновых лампочек CDM.
В импульсных блоках питания в схемах преобразователях назначение дросселя — блокировать резкие всплески от трансформатора, пропуская сглаженное напряжение. Грубо говоря в этом случае он играет роль фильтра.
В электрических сетях они также устанавливаются, но называются реакторами. Назначение дугогасительного реактора — предотвращать появление самостоятельной дуги во время однофазного короткого замыкания на землю, также как и прочих реакторов, которые так или иначе регулируют или же ограничивают величину тока через них, специально или в случае нештатной ситуации.
С помощью дросселя можно улучшить дешевый или самодельный сварочный аппарат, установив его во вторичную цепь. Сварочный трансформатор собранный с дросселем будет варить не хуже фирменных аппаратов, дуга станет ровной и не будет рваться, шов будет равномерно залит.
Поджог дуги станет происходить намного легче и просадка сетевого напряжения будет меньше влиять на появление и горение дуги. Даже неспециалист сможет быстро достичь хороших результатов в сварке, делая всевозможные поделки у себя дома.
Вот мы и рассмотрели устройство дросселя, принцип работы и назначение. Надеемся, что теперь вы полностью разобрались, для чего нужен данный элемент схемы!
Будет интересно прочитать:
Как проверить дроссель с помощью мультиметра
Одним из компонентов схем различных электронных и электротехнических приборов является дроссель. Дросселем называют катушку индуктивности, которая при работе в электрических схемах ограничивает проводимость для переменного тока и беспрепятственно пропускает ток постоянный. Это свойство дросселя используется для сглаживания переменной составляющей токов. Проверка дросселя осуществляется мультиметром или специальным тестером.
Назначение и устройство
В некоторых приборах дроссели устанавливаются для того, что бы пропускать импульсные токи определенного диапазона частот. Диапазон этот зависит от конструктивного решения дросселя, то есть от применяемого в катушке провода, его сечения, количества витков, наличия сердечника и материала, из которого он изготовлен.
Конструктивно дроссель представляет собой намотанный на сердечник изолированный провод. Сердечник может быть металлическим, набранным из изолированных пластин или ферритовым. Иногда дроссель может выполняться без сердечника. В этом случае используется керамический или пластмассовый каркас для провода.
Дроссельная заслонка присутствует в карбюраторе. Она регулирует подачу горючей смеси, представляя собой потенциометр. Чтобы проверить датчик дроссельной заслонки в автомобиле, определяют соответствие входного напряжения устройства положению заслонки.
В мультиметре выставляют режим прозвонки. Контакты разъема датчика соединяют со щупами мультиметра и создают видимость движения заслонки (пальцами). При этом проверяют, как реагирует датчик в крайних положениях заслонки. Должен идти чистый сигнал без хрипов.
В светильниках
В светильниках, предусмотренных для использования ламп дневного света, помимо самих ламп, применяются такие компоненты, как стартер и дроссель.
Стартер, как следует из названия, запускает процесс свечения в лампе, и далее в процессе не участвует. Дроссель выполняет функции стабилизатора тока и напряжения в течение всего периода свечения лампы.
Если дроссель неисправен, лампа не горит, или горит не устойчиво, свечение ее неоднородно по всей длине, внутри могут появляться области с более ярким свечением, движущиеся от одного электрода лампы к другому. Иногда можно заметить эффект мерцания света.
Лампа при неисправном дросселе может не загореться с первого раза, и стартер будет многократно включаться, пока, наконец, процесс свечения не запустится. В результате, в местах установки спиралей, на колбе лампы появятся потемнения. Это связано с тем, что спирали работают более продолжительное время, чем установлено для нормального запуска.
Проверка в лампах
Проверку дросселя необходимо произвести, если наблюдается одно из вышеописанных явлений при работе лампы дневного света, а также, если замечено появление характерного запаха подгорающей изоляции, появление звуков, нехарактерных для работы прибора, а также в том случае, если лампа не включается.
До того, как проверить дроссель лампы, проверяются сама лампа и стартер.
Неисправность дросселя может заключаться в обрыве или перегорании провода катушки или межвитковом замыкании, вызванном пробоем или подгоранием изоляции.
Обе неисправности могут произойти либо вследствие длительного времени использования прибора, либо в результате какого-либо механического воздействия. Возможно перегорание провода катушки в результате подачи на нее тока большего, чем максимальный, на который рассчитан дроссель.
В случае обрыва или перегорания провода, можно выявить неисправность обычным тестером или мультиметром. В силу того, что дроссель пропускает постоянный ток, замкнув цепь тестера через катушку, по свечению контрольной лампы или его отсутствию можно понять, есть обрыв или нет.
Если при измерении мультиметром, сопротивление бесконечно, имеет место обрыв провода катушки.
Проверка межвиткового замыкания
В случае межвиткового замыкания, проверка тестером результата не даст. В этом случае необходимо знать, как проверять дроссель при помощи мультиметра.
Межвитковое замыкание имеет место при непосредственном гальваническом контакте двух витков или при контакте витков с металлическим сердечником. Очевидно, что в этом случае сопротивление катушки уменьшается.
Возможен редкий случай, когда измерение сопротивления катушки не даст достоверной картины ее состояния. Такое может случиться при обрыве и межвитковом замыкании одновременно.
В этом случае межвитковое замыкание может оказаться параллельным обрыву, и несколько витков просто не будут участвовать в измерении. Исправный, казалось бы, дроссель будет работать некорректно.
Для проверки катушки на наличие межвиткового замыкания, аналоговый мультиметр в режиме миллиамперметра необходимо использовать в составе прибора, собранного на двух транзисторах.
Схема прибора приведена на рисунке.
Сам прибор представляет собой генератор низкой частоты. При сборке схемы используются любые транзисторы из линейки МП39-МП42 (коэффициент усиления 40-50).
Диоды можно использовать типа Д1 или Д2 с любым индексом. Резисторы применяются любого типа, рассчитанные на мощность не менее 0,12 Вт. Питание прибора осуществляется от источника постоянного тока, напряжением 7-9 В.
Последовательность действия
Порядок проверки следующий:
- включается тумблер Вк. При этом стрелка мультиметра должна отклониться до середины шкалы;
- в зависимости от индуктивности катушки, устанавливается положение движка переменного резистора R5. Левое положение соответствует меньшей, а правое – большей индуктивности. При проверке катушек с индуктивностью менее 15 мГн, необходимо дополнительно нажать кнопку Кн2;
- к клеммам Lx подключаются выводы дросселя и замыкается кнопкой контакт Кн1. При этом, если в обмотке нет витков, короткозамкнутых между собой, стрелка мультиметра должна отклониться в сторону больших значений или же незначительно отклониться в сторону меньших. Если в обмотке есть хоть одно замыкание между витками, стрелка возвращается на нуль.
Иногда причиной неисправности катушки может стать разрушившийся или поврежденный сердечник. Материал, из которого выполнен сердечник, его размер и положение относительно катушки, влияют на индуктивность.
Проверка индуктивности
Наличие в арсенале мультиметра такой полезной функции, как измерение индуктивности катушек, будет полезным для проверки соответствия дросселя характеристикам, заявленным в справочной литературе. Функция присутствует только в некоторых моделях цифровых мультиметров.
Чтобы воспользоваться этой функцией, необходимо настроить мультиметр на измерение индуктивности. Контакты щупов присоединяются к выводам катушки. При первом измерении мультиметр устанавливается в наибольший диапазон измерений, и потом диапазон уменьшается для получения измерения достаточной точности.
При проведении всех измерений важно не допускать касания руками контактов, на которых измеряются те или иные параметры, иначе проводимость человеческого тела может изменить показания прибора.
