Содержание

1.2. Ток, напряжение и мощность в электрической цепи

1.2. Ток, напряжение и мощность в электрической цепи.

Электрический ток и напряжение являются основными величинами, характеризующими состояние электрических цепей. Электрический ток в проводниках представляет явление упорядоченного движения электрических зарядов под действием электрического поля. Под словами ток понимают также интенсивность или силу тока, измеряемую количеством электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени:

,     [A]                               (1.1)

где q – электрический заряд, прошедший за время  t через поперечное сечение проводника.    

Следовательно, ток характеризует скорость изменения заряда во времени.

В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл), время – в секундах, а ток – в Амперах (А).

Ток является скалярной алгебраической величиной, знак которой зависит от направления движения одноименных зарядов, а именно условно принятого положительного заряда.

Для однозначного определения знака тока достаточно произвольно выбрать одно из двух возможных направлений за положительное, которое отмечается стрелкой (см. рис. 1.2.). Перед началом анализа электрической цепи необходимо отметить во всех ветвях положительные направления токов, выбор которых может быть произвольным. Закон изменения тока во времени может быть выражен функцией времени произвольной формы.

Постоянным называется ток, значение которого неизменно во времени при неизменных параметрах электрической цепи. Постоянный ток принято обозначать буквой I.

Прохождение электрического тока в цепи связано с преобразованием или потреблением энергии. Для определения энергии, затрачиваемой при перемещении заряда между двумя рассматриваемыми точками проводника, вводят новую величину – напряжение

.

Рекомендуемые файлы

Электрическим напряжением между двумя точками называют количество энергии, затрачиваемой на перемещение заряда из одной точки в другую.

,    [В]                              (1.2.)

где W – энергия электрического поля. При измерении энергии в джоулях (Дж) и заряда в кулонах (Кл) напряжение измеряется в вольтах (В).

Для однозначного определения знака напряжения между двумя выводами рассматриваемого участка цепи одному из выводов условно приписывают положительную полярность, которую отмечают либо знаком <+>, либо стрелкой, направленной от вывода (рис. 1.3).  Напряжение  положительно, если его полярность совпадает с выбранной.

Рекомендуем посмотреть лекцию “Остальное”.

Обычно условно положительную полярность напряжения выбирают согласованной с выбранным положительным напряжением тока, когда стрелки для тока и напряжения совпадают. В цепях постоянного тока напряжение принято обозначать буквой

U.

Из определения напряжения (1.2) получается выражение энергии W, затраченной на перемещение заряда  q  на участке цепи с напряжением U к моменту времени  t :

                                             (1. 3)

Дифференцирование этого равенства во времени дает выражение мгновенной  мощности p – скорости изменения энергии во времени :

(1.4)

Мощность измеряется в Ваттах (Вт). Мощность в электрической цепи постоянного тока  обозначается  буквой P и равна P=UI. Она является алгебраической величиной, знак которой определяется знаком напряжения и тока: при совпадении этих знаков мощность  положительна  (Р>0), что соответствует потреблению энергии в рассматриваемом участке цепи; при несовпадении знаков тока и напряжения мощность отрицательна (

P<0), что означает выделение ее из участка цепи (такой участок является источником энергии).

диапазон, мощность, напряжение. / НПП «Динамика»

Для измерения величин срабатывания и возврата различных устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА) проверочное оборудование должно обладать возможностью регулирования в широких пределах тока, напряжения, частоты и фазы.

Все устройства РЗиА выполнены на номинальный вторичный ток (I_( н)), равный 1 А или 5 А. Рабочий диапазон токов таких устройств лежит в пределах от 0,02I_( н) до 40I_( н). Следовательно, диагностическая система должна регулировать выходной ток от 10 мА до 210 А, а с учетом запаса на поиск срабатывания – до 250 А.

Таким образом, одним из основных требований к проверочному оборудованию является обеспечение тока с кратностью регулировки до 25 000.

С точки зрения реализации это сложная задача. В отличие от калибратора диагностическое устройство должно производить изменение тока мгновенно с целью имитации аварийных режимов. При создании испытательного комплекса РЕТОМ-61 специалистами НПП «Динамика» данная задача была решена следующим образом: в прибор были встроены шесть источников тока, каждый из которых имеет максимальное значение выходного тока – 36 А. Различные комбинации соединения каналов позволяют получить ток до 72 А в трехфазном и до 216 А в однофазном режимах работы. Данные диапазоны дают возможность проверить весь перечень устройств РЗА одно- и пятиамперных, в том числе и сложных современных дифференциальных микропроцессорных (МП) защит трансформаторов.

Выходное напряжение источников тока напрямую зависит от величины нагрузки, т.е. сопротивления проверяемых устройств. Для тестирования различных типов устройств РЗиА требуются разные уровни напряжения. В таблице 1 приведены значения выходного напряжения в зависимости от типа проверяемых устройств и номинального тока. Панели защит со встроенными микропроцессорными терминалами (МП) имеют сопротивление в среднем 0,1-0,15 Ом в каждой токовой цепи, в то время как сами терминалы – не более 50 мОм. Сопротивление полупроводниковых панелей (ПП) составляет 0,25-0,6 Ом в зависимости от номинального тока. Наибольшее сопротивление имеют электромеханические защиты (ЭМ). Например, широко распространенная панель ЭПЗ-1636 в пятиамперном исполнении в цепи фазы тока имеет сопротивление до 0,8 Ом, а в нулевой цепи – до 2,5 Ом (панель нового типа с РМ12).

В одноамперном исполнении сопротивление полной цепи фаза-ноль варьируется в диапазоне от 20 до 100 Ом (панель старого типа с РБМ). Получается, что для тестирования устройств РЗиА всех поколений необходимо, чтобы проверочное оборудование обеспечивало выходное напряжение до 800 В при мощности в 20 кВА.

Таблица 1 – Значения выходного напряжения в зависимости от типа устройств РЗиА и номинального тока.

Тип РЗиА Номинальный ток, А
Исп. 1 А Исп. 5 А
0,02-40 0,1 – 210 36
МП до 6 В до 32 В до 6 В
ПП до 24 В до 52 В
до 9 В
ЭМ до 800 В до 170 В до 29 В

Однако, учитывая тот факт, что проверочное оборудование имитирует работу измерительного трансформатора тока, на практике столь большая мощность не требуется. В связи с этим максимальное выходное напряжение источника тока прибора РЕТОМ-61 составляет 34 В, что вполне достаточно для проверки выше перечисленных устройств РЗА. При необходимости можно увеличить значение выходного напряжения в два раза, подключив два источника тока последовательно, а применяя дополнительный блок однофазного преобразователя тока РЕТ-10, входящий в состав испытательного комплекса РЕТОМ-61, можно развить на нагрузке напряжение до 500 В или ток до 360 А (при этом выходная мощность определяется возможностями каналов тока прибора РЕТОМ-61).

Какая же выходная мощность источников тока требуется для проведения проверок различных типов устройств РЗиА? В качестве примера рассмотрим основные выходные параметры токового канала прибора РЕТОМ-61. На рисунке 1 представлены зависимости максимальных выходных значений тока, напряжения и мощности канала от сопротивления нагрузки. Для наглядности на оси сопротивлений условно показаны диапазоны нагрузок различных типов устройств РЗА: микропроцессорных, полупроводниковых, электромеханических панелей.

Рисунок 1. Зависимость основных параметров канала тока РЕТОМ-61 от сопротивления нагрузки.

На рисунке видно, что в диапазоне 0,3-2,0 Ом мощность достигает наибольших значений, т.е. в случае, когда это действительно необходимо – при тестировании пятиамперных электромеханических защит. Проверка одноамперных электромеханических панелей, имеющих сопротивление более 2 Ом, требует от проверочного оборудования высокого выходного напряжения, при этом величина тока ограничена выходным напряжением источника. Проверка МП защит обычно проводится током до 36 А при мощности до 200 ВА.

Таким образом, в идеале токовый канал проверочного оборудования должен обладать выходной мощностью до 1000 ВА. Комплекс РЕТОМ-61 имеет выходную мощность одного канала до 800 ВА, тогда как другие подобные устройства обеспечивают мощность канала на уровне 400 ВА.

Для обеспечения одновременной выдачи максимальной мощности шестью каналами тока (около 4,8 кВА) в прибор должен быть встроен очень мощный блок питания. Однако опыт эксплуатации прибора РЕТОМ-61 показал, что на практике чаще используются три канала тока в трехфазном режиме, имитирующие однофазные, двухфазные и трехфазные виды аварий. В данном режиме прибор выдает мощность до 2400 ВА, что обеспечивает проверку всех типов устройств РЗА. Использование пяти или шести каналов тока необходимо только при тестировании микропроцессорных терминалов, и в этом случае большая мощность не требуется. Таким образом, при создании прибора РЕТОМ-61 специалистами НПП «Динамика» найден разумный компромисс между весогабаритными параметрами и работоспособностью системы, позволяющей проводить полноценные проверки всех видов устройств РЗиА.

Далее рассмотрим зависимость выходного тока от нагрузки и то, как она влияет на точность работы канала. В отличие от идеальных источников тока реальные источники всегда имеют конечное внутреннее сопротивление. В нашем случае это различные схемы защиты от входных воздействий и контроля над параметрами выходного сигнала, фильтры и т. д. На рисунке 2 показана схема подключения нагрузки и перераспределение выходного тока между паразитным внутренним сопротивлением источника тока (R_в) и нагрузкой (R_н).

Рисунок 2. Перераспределение Iвых между внутренним сопротивлением источника тока (Rв) и нагрузкой (Rн).

Выходной ток вычисляется по формуле:

Следовательно, чем больше значение R_в, тем меньше изменение тока в нагрузке.

На рисунке 3 показан график зависимости тока в нагрузке от сопротивления для источника калибраторного типа, который обычно применяется в поверочных устройствах, подобных РЕТОМ-61.

Рисунок 3. Зависимости тока в нагрузке от сопротивления(R_пред = 100 Ом, R_к – сопротивление калибровки)

Суть работы источника калибраторного типа заключается в том, что заданное значение тока не должно зависеть от изменения нагрузки R_н. Например, значение сопротивления реле РТ-40 при срабатывании может измениться почти на 20%, при этом ток, протекающий через обмотку, меняться не должен, в противном случае параметры срабатывания реле будут определены неточно.

Для того, чтобы обеспечить корректную работу испытательного прибора, необходимо, чтобы ток менялся в пределах границ гарантированной точности (соответствующей на графике абсолютной точности ±δ% от заданной величины тока I_з) во всем диапазоне нагрузок. Если изменение тока выходит за рамки допускаемой погрешности при сопротивлении меньшем 100 Ом, то следует говорить о рабочем диапазоне нагрузки или приводить дополнительную погрешность от сопротивления. На рисунке граница R_пред рабочего диапазона нагрузок соответствует 100 Ом, поскольку типовое сопротивление различных устройств РЗиА не превышает данное значение. Следует заметить, что уменьшение рабочего диапазона нагрузок позволит заявить более высокую точность, но это повлечет за собой ограничение области применения прибора с точки зрения нагрузки. Прибор РЕТОМ-61 имеет рабочий диапазон нагрузки практически до 150 Ом, что позволяет отстроиться от влияния сопротивления проверяемого объекта. Однако следует учитывать, что если сопротивление достаточно большое, то величина выходного тока будет ограничена, в этом случае при достижении максимального значения напряжения прибор выдаст предупреждающее сообщение о несоответствии выходного тока заданной величине.

В заключение, следует отметить, что в статье рассматривалась диагностика вторичных устройств РЗиА. Ток первичной цепи может достигать 25 кА и более, но это отдельный вопрос, требующий дальнейшего рассмотрения.

Зайцев Б.С. НПП «Динамика» г. Чебоксары сентябрь 2014

Напряжение, сила тока и мощность, последовательно параллельные соединения

Напряжение, сила тока и мощность, последовательно-параллельные соединения

Большинство солнечных батарей производят постоянный ток напряженностью примерно в 0,5 вольт, если к ним не подключена нагрузка. Если потребление электричества невелико, даже при достаточно сумрачном освещении можно получить максимальное выходное напряжение (Vв). С ростом потребления электричества для получения полного Vвых требуется более яркий свет.

Существует верхний предел силы тока, который может обеспечить солнечная батарея, и он не зависит от интенсивности освещения. Максимально достижимая сила тока обозначается Imax . Значение Imax для солнечной батареи зависит от размера площади p-n-перехода и от технологии, использованной при ее производстве.

Максимальная мощность Рmax кремниевого фотогальванического элемента в ваттах эквивалентна произведению Vвых в вольтах на Imax в амперах. Таким образом,

Рmax =0,5 Imax

Последовательно-параллельные соединения

Фотоэлектрические ячейки часто объединяют в последовательно-параллельные соединения, повышая таким образом выходную мощность. Когда несколько фотоэлементов (или параллельных соединений нескольких фотоэлементов) соединяются в цепь последовательно, их выходное напряжение (Vвых) увеличивается. Когда несколько фотоэлементов (или последовательных соединений нескольких фотоэлементов) подсоединяются параллельно, максимальная сила тока (Vвых) всех соединенных в цепь ячеек эквивалентна произведению Imax одной ячейки или их комбинации на количество ячеек или их комбинаций. При этом максимальная мощность (Рmax) последовательно-параллельного соединения одинаковых ячеек эквивалентна произведению Рmax каждой ячейки на количество ячеек. Иными словами, максимальная мощность (Рmax) такого соединения эквивалентна произведению Vвых и Imax всего соединения.

Для примера рассмотрим десять параллельно соединенных комбинаций из 36 последовательно соединенных фотоэлектрических ячеек каждая. Предположим, максимально достижимая сила тока для каждой ячейки составляет Imax = 2,2 ампера. Тогда

Vвых = 36 х 0,5 В = 18 В;
Imax = 10 х 2,2 А = 22 А;
Рmax = 18 В х 22 А = 396 Вт.

Это значение можно округлить до 400 ватт. Однако это лишь теоретический результат. На деле при подключенной к системе гротоэлектрических ячеек нагрузке ее выходная мощность будет ниже расчетной. Это происходит потому, что напряжение всей системы последовательно соединенных ячеек при подключении нагрузки падает на несколько процентов из-за возникающего внутреннего сопротивления в самой системе. В описанном выше случае реальное выходное напряжение (Vвых) системы при потреблении электричества, близком к Imax, составит только 14 вольт.

Таким образом, реальная выходная мощность составит:

Рmax = 14 В х 22 А = 308 Вт, что можно округлить до 300 ватт.

Мощность и напряжение – Рассказ о физике

Неодинаковые лампы и резисторы в серии

Предположим, что две лампы соединены последовательно и они не идентичны. Предположим, что сопротивление лампочки А больше, чем сопротивление лампочки В. Как будет распределяться напряжение батареи между двумя лампочками?

Ответ на этот вопрос заключается в том, что более высокое напряжение падает на большее сопротивление.Другими словами, на лампе А падает больше напряжения. Почему это должно быть?

Больше энергии смещается, когда заряженные частицы проходят через большее сопротивление. Подумайте об учебной модели веревочной петли. Если два зрачка действуют как резисторы, но один зрачок сжимает веревку крепче, чем другой (большее сопротивление), то рука с более крепким хватом нагревается больше, чем рука с более слабым хватом.

Тот же аргумент формализуется с помощью отношения:

В  =  Р  ×  I

Ток ( I ) одинаков через каждую лампочку, так как две лампочки соединены последовательно.Поэтому более высокое напряжение должно быть сброшено на большее сопротивление.

Помните, что сумма напряжений на двух лампах должна быть равна напряжению батареи.

Пример схемы с последовательными соединениями для изучения

Вот петля с последовательными соединениями, где вы можете выбрать батарею и выбрать лампочки, таким образом установив сопротивление этих лампочек. Этот выбор имеет последствия для тока в петле и мощности, рассеиваемой лампочками и коммутируемой батареей.

Вы вполне можете найти код понятным — физика — это всего лишь несколько строк, содержащих следующие основные соотношения:

сопротивление контура = сопротивление первой лампочки +; сопротивление второй лампочки

сопротивление напряжению = ток

напряжение = ток × сопротивление

мощность = ток × напряжение

Все остальное связано с дисплеем.

Неравные компоненты в параллельном соединении

Предположим, две лампочки подключены параллельно к 3-вольтовой батарее, и они не идентичны: сопротивление лампочки А больше, чем сопротивление лампочки В.Что происходит с током и напряжением на каждой лампочке в этом случае?

Напряжение на обеих лампах должно быть одинаковым. Рассмотрим две петли по отдельности: ток в петле А мал (из-за высокого сопротивления), поэтому мощность, коммутируемая лампочкой, мала; ток в петле B велик (из-за более низкого сопротивления), поэтому мощность, коммутируемая лампочкой, велика.

Модель веревочной петли может помочь разобраться в этом; переключаемая мощность зависит только от захвата и от скорости, с которой веревка проходит через руку.

Напряжение на лампе А равно 3 В

Ток в лампе А: относительно небольшой

Мощность, коммутируемая лампой A: относительно небольшая

Напряжение на лампе B равно 3 В

Ток в лампе B: относительно большой

Мощность, коммутируемая лампой B: относительно большая

Пример схемы с параллельными соединениями для изучения

Вот два контура, поэтому схема с параллельными соединениями, где вы можете выбрать батарею и выбрать лампочки, таким образом устанавливая сопротивление этих лампочек. Этот выбор имеет последствия для тока в петлях и мощности, рассеиваемой лампочками и коммутируемой батареей.

Вы вполне можете найти код понятным — физика — это всего лишь несколько строк, содержащих следующие основные соотношения:

сопротивление напряжению = ток

ток через аккумулятор = ток во внутреннем контуре +; ток во внешнем контуре

мощность = ток × напряжение

Все остальное связано с дисплеем.

Работа, напряжение и мощность

Мне нравится, когда работает с на ламповых усилителях. Чтобы заставить их работать, нужно работать , но как только они работают , вся эта тяжелая работа действительно окупается. Это лишь некоторые из определений работы , которые не имеют смысла для физика вроде Георга Саймона Ома. По его мнению, для перемещения объекта против силы, противодействующей его движению, требуется работа. Таким образом, подъем вашего Hiwatt DR103 с пола на рабочий стол требует усилий, потому что вы перемещаете усилитель вверх, преодолевая противодействующую ему силу гравитации. С другой стороны, таскать Twin Reverb по кварталу совсем не проблема, потому что усилитель движется горизонтально — сила тяжести не препятствует движению в этом направлении. (Поэтому, когда дорожная бригада жалуется, просто вернитесь к этому руководству и объясните им, почему нет никакой работы.)

Перемещение усилителя с испытательного стенда на пол требует работы, в данном случае отрицательной работы, потому что направлению движения помогает сила тяжести.Если все это уже звучит странно, просто добавьте к этому понятие: работа не зависит от времени. Требуется определенное количество работы, чтобы поднять ваш DR103 на скамейку. Неважно, дернете ли вы его вверх за долю секунды или потратите 20 минут, чтобы поднять его по той же траектории. Это же объем работы.

Когда противодействующая сила измеряется в ньютонах, а расстояние, преодолеваемое противодействующей силой, измеряется в метрах, тогда работа, измеряемая в джоулях, равна силе, умноженной на расстояние:

Вт = Fд

Вопрос: сколько будет весить 30-килограммовый ламповый усилитель на Луне? Ответ: 30 кг. Оказывается, килограмм – это единица массы. Сила, о которой мы думаем, когда пытаемся поднять этот параллельный двухтактный лодочный якорь, представляет собой массу, умноженную на ускорение свободного падения, которое составляет 9,8 метра в секунду в квадрате. Когда мы умножаем количество килограммов на 9,8, мы получаем силу земного притяжения, измеряемую в ньютонах.

Проблема

Выходной трансформатор для вашего Traynor YGA-1 установлен вверх дном и весит 6,6 фунтов. Какая сила тяжести тянет его вниз?

Amp Books®
Решение

6.6 фунтов это 6,6/2,2 = 3 кг. Тогда сила тяжести в ньютонах

(3 кг)(9,8 м/с 2 ) = 29 Н



Проблема

Ваш винтажный выходной трансформатор весом 6,6 фунта лежит на полу, когда вы вдруг решаете, что он идеально подойдет для вашего переиздания JTM45. Верх вашей скамьи находится на высоте 1,2 метра над полом. Сколько работы требуется, чтобы поднять трансформатор и поставить его на верстак? А если трансформатор стоит на полу в соседней комнате, что в 20 метрах?

Решение

В предыдущей задаче мы определили, что сила тяжести на 6. Объект массой 6 фунтов равен 29 ньютонам. Тогда количество работы в джоулях равно

(29Н)(1,2м) = 35Дж

Боковому движению не противодействует сила тяжести, и трансформатор в соседней комнате проходит такое же расстояние по вертикали. Следовательно, требуется такое же количество работы, 35 джоулей.

Напряжение

Противоположные заряды притягиваются. Словно заряды отталкиваются. Если мы двигаем отрицательный электрон к другому электрону, мы совершаем работу, потому что движемся против противодействующей силы.Перемещение двух электронов к двум другим электронам требует больше работы, потому что существует большая противодействующая сила. Нам часто нужен удобный способ описать, какая работа требуется для перемещения заряда из одной точки в другую. Это понятие – напряжение.

Если перемещение положительного заряда из точки В в точку А требует положительной работы, то говорят, что точка А имеет положительное напряжение по отношению к В. Напряжение в вольтах равно требуемой работе в джоулях, деленной на количество заряда в кулонах:

V = Вт/Q

Поскольку W и Q могут быть положительными или отрицательными, само собой разумеется, что V также может быть положительным или отрицательным.



Проблема

Требуется 1,6 кДж (1600 Дж) энергии, чтобы переместить 1×10 90 107 20 90 108 электронов от пластины питания (точка A) через пластинчатый нагрузочный резистор к пластине (точка B) вашего предусилителя JTM45. (Обратите внимание, что это противоположно реальному потоку электронов показано здесь.) Каково напряжение V на резисторе?

–       В         +BA300VDC
Решение

1×10 20 электронов представляют

(1×10 20 )(-1.6×10 -19 С) = -16С

заряда. Таким образом, +1,6 кДж работы требуется для перемещения -16C из точки A в точку B. Это означает, что потребуется +1,6 кДж работы для перемещения положительного заряда 16C из точки B в точку A. Таким образом, мы заключаем, что напряжение в A положителен по отношению к B на величину, равную

V = 1,6 кДж / 16C = 100 В

Таким образом, на резисторе от питания пластины к пластине происходит падение напряжения в 100 вольт.



Сила

Мощность — это мера количества работы или энергии, затрачиваемой с течением времени.При измерении в течение одной секунды количество джоулей звуковой энергии, создаваемой Ampeg SVT с шестью двухтактными силовыми лампами, работающими на полную мощность, будет намного больше, чем у Champ 5E1. В соответствии с той же концепцией не требуется дополнительной работы, чтобы физически быстро поднять ваш Hiwatt, но требуется больше энергии, поскольку работа выполняется за более короткий период времени. Когда работа измеряется в джоулях, а время измеряется в секундах, тогда мощность в ваттах равна общей работе, деленной на общее время:

P = Вт/т

Проблема

Вам потребуется 2 секунды, чтобы стабильно поднять 6. Выходной трансформатор весом 6 фунтов от пола до верха скамейки, общее расстояние по вертикали 1,2 метра. Каково среднее количество энергии, которое вы расходуете, когда поднимаете его?

Решение

Ранее мы определили, что для подъема трансформатора требуется работа 35 Дж. Вы расходуете эту энергию за 2 секунды, поэтому средняя мощность в ваттах, передаваемая на трансформатор вашими руками и четырехглавыми мышцами, равна

P = 35 Дж / 2 с = 17 Вт

Связь между напряжением, током и мощностью

Мы видели, что напряжение между двумя точками указывает на количество работы, необходимой для перемещения заряда между двумя точками.Перевернув эту концепцию, работу можно определить как напряжение между двумя точками, умноженное на заряженный заряд, который был перемещен между ними:

Вт = ВК

Мы можем использовать эти понятия, чтобы вывести очень важную формулу для гитарных усилителей. Связь между напряжением, током и мощностью

P = W/t = (VQ)/t = V(Q/t) = VI

где переменная «I» используется для обозначения тока. Если I в амперах, а V в вольтах, то P в ваттах.



Проблема

Постоянный ток 11 мА протекает через дроссель Fender Bassman 5F6-A при отсутствии гитарного сигнала.Дроссель не является идеальной катушкой индуктивности, потому что его внутренние обмотки имеют сопротивление постоянному току, которое вызывает падение на нем 1,2 вольта. Какую мощность дроссель выделяет в виде тепла?

Решение

Поскольку напряжение на дросселе и ток через него постоянны (ну, может быть, небольшие пульсации переменного тока), мощность, выделяемая в виде тепла, измеренная в милливаттах, равна

(1,2 В) (11 мА) = 13 мВт

Проблема

Катодный резистор 47 Ом в усилителе мощности Vox AC30 рассчитан на максимальную мощность 10 Вт.На холостом ходу напряжение на нем обычно 10 вольт. Каким должен быть средний ток через резистор, чтобы произвести 10 Вт тепла?

СЛЕДУЩАЯ СТРАНИЦА

Напряжение и частота в Японии отличаются.

[КЕПКО]

Путеводитель по электричеству

Напряжение и частота в Японии разные.

Электричество Японии работает на другом напряжении и частоте по сравнению с другими странами.
Чтобы обеспечить правильное и безопасное использование электроприборов, мы расскажем о системе электроснабжения в Японии.

Карта региональных частотных различий
Форма штепсельных розеток для 100 В и 200 В
Электроэнергетическая компания Кансай поставляет электроэнергию напряжением 100 В/60 Гц.

Хотя для некоторых электроприборов используется напряжение 200 В, в основном в Японии используется 100 В.
Бытовая техника, привезенная из-за границы, не может быть использована под напряжением в Японии. Обратите внимание, что розетки на 100 В и 200 В имеют разную форму.
Электрическая частота различна по обе стороны реки Фудзигава в префектуре Сидзуока и городе Итоигава в префектуре Ниигата: 50 Гц на востоке и 60 Гц на западе. Частота в зоне обслуживания Kansai Electric составляет 60 Гц.

Можно использовать телевизоры и радиоприемники.
Холодильники и кондиционеры будут работать, но менее эффективно.
Стиральные машины и микроволновые печи использовать нельзя.
Некоторые приборы нельзя использовать на разных частотах.

Соблюдайте осторожность при использовании электроприборов, которые нельзя использовать в других частотных диапазонах.

• Приборы, которые можно использовать в любой области

Телевизоры, радиоприемники и т. д.

• Приборы, которые можно использовать в любой области, но с меньшей эффективностью

Холодильники, электрические вентиляторы, кондиционеры и т.д.

• Приборы, которые нельзя использовать в другой зоне частот

Стиральные машины, микроволновые печи, люминесцентные лампы (кроме инверторных), сушилки для белья и т. д.

※ Эти устройства показаны в качестве общих примеров. Есть исключения, поэтому лучше проверить руководство по эксплуатации или проконсультируйтесь с производителем напрямую.

Напряжение в точке максимальной мощности – Vmp

Для получения максимального количества энергии от солнечного элемента он должен работать при максимальном напряжении питания.Напряжение максимальной мощности далее описывается как V MP , напряжение максимальной мощности, и I MP , ток в точке максимальной мощности.


Максимальное напряжение мощности возникает, когда дифференциал мощности, производимой ячейкой, равен нулю.

Начиная с IV уравнения для солнечной батареи:

I=IL-I0eVVt

Vt=nkTq для упрощения записи в выводе, где kT/q ~ 0,026 вольта, а n — коэффициент идеальности.Фактор идеальности зависит от рабочей точки. Для этих уравнений правильно использовать среднее значение от V MP до V OC .

Мощность, производимая ячейкой, является произведением напряжения и тока, т. е. P = IV.

П=ВИЛ-ВИ0эВВт

С помощью дифференцирования по частям по второму члену: u=VI0, u’=I0, v=eVVt, v’=1VteVVt

Дифференциал мощности по напряжению:

dPdV=IL-VI01VteVVt+I0eVVt

Vmp появляется, когда dPdV=0

VmpI01VteVmpVt-I0eVmpVt=IL

Подробные шаги по реорганизации и упрощению:

ВмпВтеВмпВт-эВмпВт=ИЛИ0

eVmpVtVmpVt-1=ILI0

VmpVt+ln⁡VmpVt-1=lnILI0

Vmp=VtlnILI0-ln⁡VmpVt-1

Использование Voc=VtlnILI0

Vmp=Voc-ln⁡VmpVt-1Приведенное выше неявное уравнение не имеет простого решения, но быстро сходится при повторении.Первоначальное предположение VMP = 0,9 VOC дает точное решение за две итерации.

Использование функций Ламберта

Точное решение для нахождения максимального напряжения питания с помощью функций Ламберта. Это трансцендентные функции, очень похожие на и или тригонометрические функции. Lambert доступен в большинстве продвинутых математических пакетов, таких как Maple, Mathematica и Python с SciPy, но их нет в большинстве карманных калькуляторов.

Как и выше, нам нужно найти напряжение, когда производная мощности равна нулю

П=ВИЛ-ВИ0эВВт

0=IL-I0exp⁡VVt1+VVt

Поскольку V/Vt намного больше 1, мы можем удалить член +1: ILI0=exp⁡VVt×VVt

Ламберт дает решение в виде: Y=XeX⇔X=W(Y).Используя это отношение, предыдущее уравнение принимает вид:

.

ВВт=В⁡JLJ0

, чтобы получить простое выражение для Vmp.

Vmp=VtW⁡JLJ0

В качестве альтернативы, используя полное уравнение выше для dP/dV = 0 и не отбрасывая член +1, решение принимает вид:

Vmp=VtW⁡eJLJ0-1

Математика частично проверена с использованием Wolfram Alpha

J=JL−J0[exp(VVt)−1]J = J_{L} – J_{0}\left\lbrack \exp\left( \frac{V}{V_{t}} \right) – 1 \справа\rbrack

Мощность = В x Дж

P=VJL-VJ0[exp(VVt)-1]

Потерять -1, так как мы выше 100 мВ

 

Мы всегда с тобой

Какое выходное напряжение, ток и мощность могут обеспечить ВЧ-усилители? Этот вопрос часто задают начинающие инженеры-испытатели, а также опытные специалисты по радиочастотам. В зависимости в приложении часто имеется скрытое желание максимизировать один из трех параметры; мощность, напряжение или ток. Хотя можно подумать, что простое приложение закона Ома, это применимо только при идеальных условиях, например, когда ВЧ-усилитель с типичным сопротивлением 50 Ом; выходное сопротивление составляет 50 Ом; нагрузка. В этом редком случае где импеданс нагрузки точно соответствует выходному импедансу усилителя, мощность, подаваемая на нагрузку, – это просто номинальная мощность усилителя.Там есть абсолютно никакой отраженной мощности и, таким образом, нет необходимости ограничивать или контролировать усиление усилителя, чтобы защитить его от чрезмерной отраженной мощности.

К сожалению, такие идеальные условия редко применяются в реальных “реальных” приложениях. Настоящие усилители необходимы для работы с переменным сопротивлением нагрузки. Несоответствие между эти «реальные» нагрузки и выходное сопротивление усилителя дают процент от прямая мощность отражается обратно в усилитель. В некоторых случаях чрезмерно отраженная мощность может повредить усилитель, и меры предосторожности, которые могут повлиять на прямое требуются мощности. Учитывая эти реалии, как можно определить выпуск напряжение, ток и мощность? Снова на помощь приходит закон Ома, но с предупредите, что фактическая мощность, подаваемая на нагрузку (чистая мощность после применение любой защиты КСВ за вычетом отраженной мощности) должно быть определено до применяя закон Ома. В этом примечании по применению будут освещены некоторые из основных ВЧ-усилителей. характеристики, влияющие на мощность в прямом направлении, а также на полезную мощность, позволяющую использовать Закон Ома, даже когда условия далеки от идеальных.

Назад к основам: закон Ома

Закон Ома гласит, что величина тока течет между двумя точками электрического цепь прямо пропорциональна напряжению впечатлен по двум точкам и наоборот пропорционально сопротивлению между точки. Таким образом, уравнение I=E/R является основным форма закона Ома, где ток I в единицах ампер (А), электродвижущая сила (ЭДС) или разность электрических потенциалов E в вольтах (В), а R — сопротивление цепи, указанное в Ом (Ом;). Применение стандартного уравнения отношение электрической мощности к напряжению и ток (P=V•A), перекрестное умножение и перестановка каждой из переменных приводит к уравнения, показанные на круговой диаграмме закона Ома (см. рис. 1), показывающий различные комбинации из четырех переменных I, V, Ω и W. Давайте используем круговую диаграмму Ома, чтобы определить выход напряжение, ток и мощность 50 Ом; усилитель работает в идеальных условиях.

Рисунок 1: Круговая диаграмма закона Ома

Предположим, у нас есть усилитель мощностью 100 Вт с сопротивлением 50 Ом; выходное сопротивление 50 Ом; нагрузка.Это идеальная ситуация, когда 100% мощности прямого хода будет поглощаться нагрузкой. и поэтому в этом примере нет отраженной мощности.

  • Полная мощность 100 Вт будет подаваться на 50 Ом; нагрузка
  • Выбрав соответствующие формулы из круговой диаграммы Ома, можно легко характеризуют этот идеальный усилитель. $$ Вольты = \sqrt{Ватт * \Омега} $$ Подставляем известные значения: $$ Вольт = \sqrt{100Вт * 50\Омега} = 70. 7 В_ {среднеквадратичное значение} $$ Таким образом, выходное напряжение на 50 Ом; нагрузка 70,7 В среднеквадратичное значение $$ Ампер = \ sqrt {\ frac {Ватт} {\ Omega}} $$ Подставляем известные значения: $$ Ампер = \sqrt{\frac{100W}{50Omega}} = 1,41 A_{rms} $$ Выходной ток нагрузки 1,41 A rms

Как видно из приведенного выше примера, при совпадении сопротивлений, мощности, напряжения, и ток легко определяются применением закона Ома.Теперь давайте рассмотрим «реальные» усилители и их влияние на определение выходного напряжения, ток и мощность.

Несоответствие импеданса: опасность несоответствия импеданса и методы, используемые для защита усилителей

Максимальная мощность передается на нагрузку только тогда, когда импеданс нагрузки соответствует выходное сопротивление усилителя. К сожалению, это бывает редко. В этих «типичных» ситуации, отражения возникают на нагрузке и разница между прямой мощностью а то, что поступает в нагрузку, отражается обратно в усилитель. Постоянное напряжение волна создается сложением и вычитанием фаз падающей и отраженной осциллограммы напряжения. Усилители мощности должны быть способны поглощать это отраженное власть или они должны использовать некоторую форму защиты, чтобы предотвратить повреждение усилитель.

Например, обрыв или короткое замыкание в обсуждаемом усилителе мощности 100 Вт. выше, приведет к бесконечному коэффициенту стоячей волны по напряжению (КСВН). $$ \text{Поскольку } КСВ = \frac{Z_0}{Z_L} \text{ для } Z_L>Z_O \text{ и } = \frac{Z_L}{Z_0} \text{ для } Z_L>Z_0 \text{ можно видно, что } КСВ \текст{ всегда} ≥ 1.$$

Без активной защиты КСВ разомкнутая цепь на нагрузке приведет к удвоению выходного напряжения до 141,4 В (среднеквадратичное значение), в то время как короткое замыкание может увеличить выходное напряжение. ток до 2,82 ампер. В любом из этих наихудших сценариев усилитель мощности 100 Вт должна выдерживать максимальную мощность 200 Вт (100 Вт вперед + 100 Вт назад).

Очевидно, что это повод для беспокойства, и разработчики усилителей должны иметь дело с очень реальными вероятность того, что выход усилителя может быть либо случайно закорочен, либо нагрузка можно удалить.Следовательно, все усилители должны иметь некоторую форму защиты. когда КСВ приближается к опасному уровню. Ниже приведен неполный список (наиболее желательно до наименее желательного) из некоторых использованных методов:

  • Надстройка:
    • Все полупроводниковые устройства и сумматоры мощности консервативно предназначен для обеспечения достаточной прочности и рассеивания тепла для приспособиться к бесконечному КСВ.
    • Для этого не требуется дополнительная активная схема защиты КСВН. подход.
    • Этот консервативный подход используется при малой и средней мощности AR. усилители.
  • Активный мониторинг КСВ, приводящий к снижению коэффициента усиления усилителя при КСВ приближается к опасному уровню:
    • Когда КСВ превышает безопасный уровень, поступательная мощность снижается. Этот технику иногда называют «откатом усиления» или просто «откатом назад».
    • Твердотельные усилители высокой мощности
    • AR будут сворачиваться при отражении мощность достигает 50% от номинальной мощности, соответствующей КСВ 6:1 и выдержит любое несоответствие.
  • Активный мониторинг КСВ, приводящий к отключению, когда КСВ превышает безопасный уровень
    • Это считается методом грубой силы, который может привести к нежелательным последствиям. сбои в тестировании.
    • AR не использует эту технику ни в одном из своих усилителей.
  • Активный тепловой контроль
    • Высокий КСВ вызывает накопление тепла. Когда задано
    • порог температуры превышен, усилитель отключается.
    • Из-за характера тепловых постоянных времени этот подход относительно
    • медленный. Экстремальные колебания КСВ могут не привести к немедленному закрытию. вниз. Усилители
    • AR используют некоторую степень теплового контроля для схемы
    • . защиты, но не полагайтесь на этот относительно медленный метод защиты против экстремального КСВ.
  • Активный мониторинг выходного напряжения и/или тока
    • Ограничения устанавливаются как для напряжения, так и для тока аналогично ограничениям
    • размещены на источниках питания постоянного тока.
    • При превышении любого из двух параметров усилитель отключается.
  • Многие усилители разработаны практически без учета несоответствия нагрузки. это предполагается, что приложение включает нагрузку, соответствующую нагрузке усилителя. В таких приложений, как испытания на устойчивость к электромагнитной совместимости (ЭМС), где несоответствие импеданса является нормой, необходимо соблюдать осторожность при выборе усилителя, способного терпеть любое несоответствие, сохраняя при этом требуемую мощность.

    Твердотельные усилители

    AR рассчитаны на экстремальное несоответствие нагрузки. Они исключительно прочны и обеспечивают превосходную защиту, обеспечивая максимальную выходная мощность на любую нагрузку. Несоответствие импеданса обсуждается более подробно в «Важность допуска на несоответствие для усилителей, используемых в Тестирование чувствительности”.

    Как повлияет защита КСВ на прямую мощность или мощность, доступную для Загрузка?

    Давайте сначала рассмотрим различные методы, используемые для защиты усилителей AR от пагубного воздействия экстремальный КСВ.

    • Усилители класса A, рассчитанные на бесконечный КСВ: Этот тип усилителя не откидывание назад или отключение при работе в условиях высокого КСВ. (Большинство AR от низкого до среднего усилители мощности подходят к этой категории.)
      • В этих усилителях мощность в прямом направлении всегда равна номинальной мощности и не зависит от нагрузки
      • Пример. Усилитель мощностью 100 Вт обеспечивает мощность в прямом направлении 100 Вт. независимо от изменений нагрузки
    • Возврат на основе отраженной мощности: этот метод используется для мощного AR. усилители, у которых отраженная мощность не должна превышать 50% от номинальной сила.
      • Эти более крупные усилители обеспечивают полную номинальную мощность нагрузки при любом КСВ до 6:1. Когда КСВ превышает этот уровень, для ограничения используется обратный отсчет. отраженная мощность не более 50% от номинальной мощности, независимо от вариаций нагрузки.
      • В этом случае доступная мощность в прямом направлении равна номинальной мощности до тех пор, пока Достигнут КСВ 6:1. В этот момент 50% мощности прямого хода отражение. Для любого КСВ выше 6:1 мощность в прямом направлении уменьшается. достаточно, чтобы гарантировать, что обратная мощность никогда не превышает 50% от номинальная мощность.
      • Пример. Усилитель мощностью 1000 Вт ограничивает мощность в прямом направлении до 50 % от номинальной. мощность для любого несоответствия нагрузки более 6:1. Таким образом, поскольку 500 Вт максимальное количество отраженной мощности, прямая мощность составляет 1000 Вт для КСВ ≤ 6:1 и где-то между 1000 и 500 Вт для КСВ ≥ 6:1. 2}{\Omega_{нагрузка}} $$ и $$ Амперы = \ frac {V o l t s _ {\ text {мин.} рейтинг}} {\ Omega_ {нагрузка}} $$

      • При сопротивлении нагрузки ниже выходного сопротивления усилителя усилитель защищен ограничением по току.2 • \Omega_{загрузить} $$ и $$ Вольты = Ампер _ {\ text {мин.} номинал} • \ Omega_ {нагрузка} $$

    Следующие комментарии относятся к усилителям, которые не используют один из КСВН типа AR. перечисленные выше методы защиты:

    • Усилители, обеспечивающие защиту путем отключения или отключения ВЧ-выхода:
      • Прямая мощность будет равна 0, если КСВ чрезмерный.Это может произойти при КСВ, т.к. ниже 2:1, но чаще встречается при КСВ где-то между 2:1 и 3:1.

    Очевидно, усилители, которые либо не используют защиту КСВ, либо используют эту грубую силу Схема КСВ не может использоваться в приложениях, где ожидаются несоответствия нагрузки. Усилители, в которых используются схемы с обратной связью при еще более низких уровнях КСВ, чем указано выше. также относятся к этой категории и не подходят для приложений, характеризующихся высокой нагрузкой. VSWR, например, при испытаниях на устойчивость к ЭМС и в исследовательских приложениях, где импеданс нагрузки неизвестно.

    Потеря выходной мощности из-за несоответствия нагрузки

    До этого момента мы концентрировались на теме силы вперед. Это сила реально доступный при нагрузке. Закон Якоби, также известный как «максимальная мощность теорема» гласит, что «Максимальная мощность передается, когда внутреннее сопротивление источник равен сопротивлению нагрузки, когда внешнее сопротивление можно изменять, а внутреннее сопротивление постоянно». Этот эффект отчетливо наблюдается при нагрузке сопротивление отличается (больше или меньше) от выходного сопротивления усилителя.Как КСВН увеличивается, все большая часть прямой мощности отражается обратно в усилитель. Поскольку полезная мощность рассчитывается путем вычитания отраженной мощности из прямой мощности, очевидно, что любой КСВ, отличный от 1:1, уменьшит фактическую мощность, потребляемая нагрузкой.

    Количество энергии, подаваемой на нагрузку, можно рассчитать, используя следующие стандартные формулы РФ:

    Коэффициент отражения: $$ г = \Бигг | \frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1} \Bigg | $$ , где два импеданса – это нагрузка сопротивление и выходное сопротивление усилителя.2\big)=10•Log(Watts_{FWD})}{10}\Bigg)} $$

    Кроме того, зная чистую мощность и полное сопротивление нагрузки, можно рассчитать выходной ток и напряжение по закону Ома.

    Реальные примеры

    Теперь, когда мы изучили нюансы определения выходной мощности, напряжение и ток усилителей мощности ВЧ в целом, давайте посмотрим на четыре существующих АР усилители и как они справляются с несоответствием нагрузки.

    Пример 1. Большинство усилителей малой и средней мощности имеют конструкцию класса А и иметь номинальное сопротивление 50 Ом; выходное сопротивление. Типичным усилителем этого типа является Усилитель мощности 75А400:

    • Полоса пропускания 10 кГц – 400 МГц
    • Минимум 75 Вт РЧ-выхода
    • Активная защита не требуется благодаря очень прочной и консервативной конструкции
    • Полная мощность в прямом направлении подается на любое сопротивление нагрузки
    Рис. 2. Мощность в зависимости от импеданса нагрузки 75A400

    Рисунок 2 наглядно демонстрирует наилучший возможный сценарий, обеспечиваемый 75A400. То прямая мощность постоянна и составляет 75 Вт, независимо от импеданса нагрузки.Центральная точка графика демонстрирует максимальную передачу мощности в соответствии с законом Якоби, где 50 Ом; усилитель управляет 50 Ом; нагрузки, а синяя кривая выходной мощности ясно демонстрирует уменьшение полезной мощности в соответствии с теоремой о максимальной мощности при изменении нагрузки от идеал 50 Ом;. Обратите внимание, что несмотря на то, что 75 Вт доступны независимо от нагрузки импеданса (оранжевая кривая), есть только одна точка, в которой мощность, подаваемая на нагрузка равна прямой мощности; точка, в которой импеданс нагрузки соответствует выходное сопротивление усилителей. Падение мощности, подаваемой на нагрузку на сторона 50 Ом; импеданс нагрузки является результатом КСВ нагрузки, что приводит к постоянному увеличению часть прямой мощности должна отражаться обратно в усилитель. Напомним, что $$ P_{n e t} = P_{f w d} – P_{r e f} $$

    Рисунок 3: Ток в зависимости от напряжения 75A400

    На рис. 3 представлены графики напряжения и тока во всем диапазоне импеданса нагрузки. То центральная точка представляет собой напряжение и ток, возникающие при изменении импеданса нагрузки. подходит к усилителям 50 Ом; выходное сопротивление.Нагрузки более 50 Ом; предназначены для справа от центральной точки и нагрузки менее 50 Ом; появляются слева. Конечные точки продемонстрировать две возможности несоответствия наихудшего случая; открытый, где выход максимальное напряжение при нулевом токе, короткое замыкание при максимальном токе с нулевым напряжением.

    Приведенные выше графики основаны на минимальной номинальной выходной мощности усилителя на его весь диапазон рабочих частот. Скорее всего, будут пятна в пределах частоты диапазон, в котором выходная мощность превысит указанную минимальную номинальную выходную мощность.Чтобы избежать непредвиденных результатов, всегда запрашивайте копию конкретных данных производственного тестирования. перед вводом усилителя в эксплуатацию.

    Пример 2: Мощные твердотельные усилители по необходимости используют активный КСВ защита. Возьмем, к примеру, 1000W1000D.

    • Полоса пропускания 80–1000 МГц
    • Минимальная выходная ВЧ-выходная мощность 1000 Вт при сопротивлении 50 Ом; выходное сопротивление
    • Активная защита срабатывает для уменьшения коэффициента усиления при измерении обратной мощности при 500 Вт; это КСВ 6:1 при использовании усилителя на номинальной мощности.
    • Эта откидная защита ограничивает отраженную мощность до 500 Вт максимум
    Рис. 4. Мощность в зависимости от импеданса нагрузки 1000W1000D

    1000W1000D является примером одного из мощных усилителей AR, который когда обратная мощность достигает 50% номинальной мощности. Несмотря на то, что усилитель выполняет функцию foldback, значительная часть мощности по-прежнему поступает в нагрузку. Во многих случаи, другие производители усилителей высокой мощности не смогли бы справиться в таких условиях и поступательная мощность будет либо полностью отключена, либо r резко поумнел.

    В приложениях с критическим питанием согласующий трансформатор импеданса, аналогичный используемый в AR 800A3A, можно использовать для согласования усилителя с нагрузкой. Тем не мение, поскольку согласующие трансформаторы имеют тенденцию быть узкополосными, этот подход может оказаться нецелесообразно, если 1000W1000D будет работать во всем диапазоне частот. В этом случае ряд узкополосных трансформаторов можно было бы включить в приложение в зависимости от частоты или еще проще, пользователь может выбрать более высокую усилитель мощности.

    Рисунок 5: Ток в зависимости от напряжения 1000W1000D

    На приведенном выше графике показано, что, несмотря на то, что фолд-бэк происходит при КСВ примерно 6:1, значительное выходное напряжение и ток по-прежнему подаются на нагрузку.

    Пример 3: До сих пор много говорилось о важности импеданса. соответствие. 800A3A является примером уникального усилителя, который предоставляет пользователю выбираемое выходное сопротивление для соответствия широкому спектру приложений.

    • Ширина полосы от 10 кГц до 3 МГц
    • Минимальная выходная мощность 800 Вт
    • Внутренний трансформатор импеданса, выбираемый пользователем, обеспечивает 12.5, 25, 50, 100, 150,
    • 200 или 400 Ом; для облегчения более точного согласования с импедансом нагрузки
    • Активная защита срабатывает, когда КСВ превышает 6:1, чтобы уменьшить усиление
    • Эта откидная защита ограничивает отраженную мощность максимум до 400 Вт
    Рис. 6. Мощность в зависимости от импеданса нагрузки 800A3A

    Трансформатор внутреннего импеданса 800A3A позволяет этому усилителю иметь выходной импеданс, который соответствует тому, что характерно для различных приложений.Внешний Трансформаторы доступны для расширения полезности 800A3A, чтобы включить еще больше Приложения.

    Рисунок 7: Ток в зависимости от напряжения 800A3A

    На рис. 7 четко показаны преимущества усилителя с внутренним импедансом согласующий трансформатор, обеспечивающий лучшее согласование с различными нагрузками. Ассортимент выходное напряжение и ток значительно выше, чем предусмотрено стандартом 50 Ом; усилитель.

    Пример 4: Характерные характеристики высокой мощности, широкополосности и очень низкой выходной мощности импеданс (обычно

    • Полоса пропускания 10 Гц – 1 МГц
    • Минимальная номинальная выходная мощность составляет 350 Вт на 1.8 Ом; нагрузка. Это равнозначно минимум 25 вольт и 14 ампер на 1,8 Ом. (мощность снижается выше 300 кГц)
    • Импеданс источника рассчитан на указано, выходное сопротивление не используется в расчетах прямой мощности.)
    • Эффективное сопротивление источника 1,8 Ом; (Zo=Vo/Io= 25В/14А)
    • Защита выхода ограничивает как напряжение, так и ток при номинальных значениях в любых пределах. нагрузка. Для нагрузок менее 1.8 Ом, выходной ток ограничен. Для нагрузок, превышающих 1,8 Ом; выходное напряжение ограничено.
    Рис. 8. Мощность в зависимости от полного сопротивления нагрузки 350 А·ч2

    Это пример усилителя с сопротивлением 1,8 Ом; эффективное выходное сопротивление. Из-за защита усилителя от ограничения напряжения и тока, КСВ не играет роли в потерях мощность, отдаваемая в нагрузку.

    Рисунок 9: Ток в зависимости от напряжения 350 Ач2

    На рис. 9 показаны доступные выходное напряжение и ток от 350 Ач2.Серый область предназначена для указания более «типичного» выходного профиля. Индивидуальный усилитель характеристики будут различаться и в некоторой степени зависят от рабочей частоты и системные потери.

    Резюме

    Извечный вопрос: «На какое выходное напряжение, ток и мощность я могу рассчитывать? от моего усилителя?» в редких случаях можно ответить, просто применив закон Ома предполагая, что полезная мощность или мощность, подаваемая на нагрузку, является просто номинальной мощностью выход усилителя. В большинстве случаев практические вопросы, такие как КСВ и мощность в прямом направлении проблемы должны быть рассмотрены до применения закона Ома. В то время как это примечание по применению предоставил руководство в этом вопросе, AR твердо верит, что лучший подход – это применять фактические данные испытаний при расчете выходных параметров. Если вы хоть немного Если вам не нравится это упражнение, не стесняйтесь обращаться к одному из наших инженеров по приложениям. Мы будем более чем рады помочь вам в этом процессе.

    Напряжение, ток, мощность и энергия — учебные пособия

    Если вы впервые начинаете изучать основные схемы или базовую электронику, лучше потратить несколько минут, чтобы понять основы электричества и некоторые фундаментальные термины.Мы создали несколько руководств, в которых рассказывается об основных физических принципах их работы, но на самом деле это не обязательно для начала работы со схемами. Конечно, если у вас есть время, мы рекомендуем вам просмотреть и эти руководства, чтобы дать вам лучшее интуитивное понимание.

    Но прежде всего нам нужно понять, что такое напряжение и ток. На всех курсах по схемам, которые вы проходите, большая часть ваших усилий будет сосредоточена на определении напряжения, тока или того и другого в цепях.Иногда вас также попросят найти силу, и мы коснемся энергии, просто чтобы прояснить ее роль. Давайте разберем их на высоком уровне:

    Краткое изложение терминов

    • Напряжение – электрический потенциал между одним местом и другим. Сколько электричества хочет переместиться из одной точки в другую. Измеряется в вольтах.
    • Ток – ток течет из одной точки в другую, буквально исходя из того, сколько электронов движется в секунду.Измеряется в амперах
    • Мощность – работа, которая совершается в секунду. В схемах это обычно означает количество тепла, отдаваемое цепью. Измеряется в ваттах или джоулях в секунду.
    • Энергия – общий объем выполненной работы. Для этого нет временной составляющей, которая является разницей между мощностью и энергией. Измеряется в джоулях. Они разъясняются позже в этом руководстве.

    Напряжение и сила тока

    На протяжении десятилетий наиболее распространенными примерами, иллюстрирующими, как работает электричество и разница между напряжением и силой тока, является использование воды в качестве примера.Это потому, что, хотя он и не идеален, он удивительно похож и довольно эффективен.

    Представьте, что напряжение похоже на воду в озере на вершине холма. Он хочет течь вниз по склону, и если у него есть такая возможность, он это сделает. Это желание воды течь вниз подобно напряжению, оно не представляет движения и само по себе статично. Если вода начинает течь, то этот поток воды и есть течение. А размер канала, который ведет от вершины холма к подножию холма, является сопротивлением.Все эти три элемента напрямую связаны, и понимание того, что взаимосвязь является фундаментальной частью анализа схемы, а также темой нашего следующего урока.

    Чтобы расширить эту аналогию, вы заметите, что с напряжением не имеет значения, насколько высок этот холм — если нет отверстия для стока воды, она просто останется там. Если холм представляет собой гору высотой три мили, там есть большой потенциал, но все равно нет потока, если нет тропы или трубы. При этом озеро высотой три мили с трубой будет проталкивать через эту трубу намного больше воды, чем озеро высотой 3 фута с трубой того же размера.Вот как напряжение (потенциал) влияет на ток (поток). Сохраняя сопротивление (размер трубы) одинаковым, можно увеличить ток за счет увеличения напряжения.

    Точно так же, если вы увеличите размер трубы (уменьшите сопротивление), не меняя высоту потенциала, вы все равно получите больше потока. И наоборот, если вы уменьшите размер трубы (увеличите сопротивление), вы получите меньший поток. Вот как сопротивление (размер трубы) влияет на ток (расход).Как правило, в цепи вы можете контролировать напряжение и сопротивление, а также высоту потенциала и размер трубы, чтобы получить желаемый поток.

    И последнее, что касается напряжения – обратите внимание, что разница между одним потенциалом и другим является относительной. Например, вершина холма явно выше основания холма. А что, если мы вырыли яму у подножия холма и сделали дно еще ниже? Или что, если бы рядом с холмом была гора? Холм ниже горы, поэтому существует потенциал между горой и холмом, так же как у подножия холма потенциал выше, чем у ямы, вырытой на дне.То же самое и с напряжением — когда мы говорим о напряжении, мы говорим об электрическом потенциале между двумя точками по отношению друг к другу. Обычно мы предполагаем, что самая нижняя точка — это «0» или то, что мы называем «землей» в качестве эталона. Но иногда вы получаете отрицательные напряжения, что просто означает, что электрический потенциал в этой точке ниже того, что мы установили как наш потенциал «земли». Иногда это может показаться странным, но как только вы приобретете некоторый опыт работы с цепями и электричеством, отрицательные напряжения приобретут большой смысл. Это становится еще более логичным, когда вы понимаете, что, поскольку все относительно, вы можете перевернуть свою перспективу и инвертировать знак напряжения. Это может быть 10 вольт сверху вниз, но это также -10 вольт снизу вверх, поэтому v ab = -v ba . Это пригодится при случае.

    Мощность против энергии

    Давайте снова сосредоточимся на мощности и энергии. Утверждение, что связь между мощностью и энергией зависит только от временной составляющей, неудовлетворительно и не очень ясно.Давайте сделаем быстрый пример, который может сделать вещи проще. Представьте, что вам нужно поднять коробку на 10 футов. Вы можете подбросить его прямо вверх за 1 секунду или медленно поднять в течение 10 секунд. Количество энергии, необходимое для перемещения ящика с 0 до 10 футов, такое же, но первый вариант, бросок прямо вверх, требует в 10 раз больше энергии, чем медленный подъем. В подавляющем большинстве схемных приложений и проблем мы заботимся только о мощности и игнорируем энергию, но при обсуждении источников энергии, таких как батареи и конденсаторы, это различие становится критическим.

    «Энергоемкость аккумуляторов выше, чем у конденсаторов, но у конденсаторов выше энергоемкость, чем у аккумуляторов. Расширяя пример с коробкой и используя некоторые произвольно выбранные числа, это означает, что конденсатор может поднять коробку на 100 футов в воздух за одну секунду, в то время как батарея того же физического размера может поднять коробку в воздух только на 10 футов за одну секунду. секундочку. Но при равных физических размерах батарея может поднять коробку в общей сложности на 5000 футов, прежде чем закончится энергия, а конденсатор может поднять коробку в общей сложности на 300 футов, прежде чем закончится энергия.”

    Электроэнергия, математически, это просто ток, умноженный на напряжение, так что это фактор как потока, так и потенциала. Возвращаясь к аналогии с водой, небольшой поток с большой высоты может производить много энергии. Или вы можете иметь очень большой поток с относительно небольшой высоты, создавая большую мощность. Но если у вас слишком мало того или другого, силы не так много. Подобно тому, как падающая капля дождя не создаст полезного количества энергии, огромное напряжение без тока не произведет много энергии.Или вода, вытекающая из чашки на стол, может течь, но за ней нет никакого потенциала для выполнения какой-либо работы. Это комбинация, которая создает силу.


    Это должно заложить основу для понимания основных терминов, необходимых для начала решения схем. Далее давайте узнаем о взаимосвязи между напряжением, током и сопротивлением с помощью закона Ома.

    Какие проблемы могут возникнуть при превышении входного напряжения источника питания?

    Добро пожаловать в первую часть нашей новой серии под названием «Раздвигая границы».В этой серии статей мы рассмотрим вопрос, который мы часто слышим в CUI: «Что, если я буду использовать свой блок питания за пределами определенного диапазона спецификаций?» Чтобы помочь ответить на этот вопрос, мы рассмотрим общие технические характеристики блоков питания и определим потенциальные недостатки и сбои, которые могут возникнуть при работе блока питания за пределами установленных пределов. В части 1 этой серии мы обсудим потенциальные проблемы, которые могут возникнуть, когда входное напряжение выходит за пределы допустимого диапазона источника питания.

    Прочтите часть 2 нашей серии статей “Расширяя границы” по выходному току
    Прочтите часть 3 нашей серии статей “Расширяя границы” по рабочей температуре

    Пределы входного напряжения

    сильно различаются, что затрудняет разработку источника питания, который бы удовлетворял требованиям входного диапазона для всех приложений.Если предположить, что входные характеристики источника питания «достаточно близки» к требуемому рабочему напряжению приложения, это может привести к сбоям, если источник питания фактически работает за пределами своих пределов. Эти сбои могут быть определены как сбои компонентов, сбои системы или сбои спецификаций, и каждый из них по-разному влияет на питание и производительность системы.

    Превышение пределов входного напряжения — отказы компонентов

    Отказы компонентов возникают, когда компонент поврежден и/или больше не работает должным образом. Применение напряжения, превышающего максимальное рабочее напряжение компонента, — это простой способ повредить любой компонент. Многие компоненты, расположенные на входе, такие как X-конденсаторы, металлооксидные варисторы (MOV) и мостовые выпрямители, легко идентифицировать как подверженные перенапряжению. Если входное напряжение превышает их максимальное рабочее напряжение, конкретный режим отказа этих компонентов может привести к нескольким различным сценариям. Например, X-конденсаторы, которые из соображений безопасности рассчитаны на короткое замыкание, скорее всего, перекроют предохранитель, оставив блок питания неработоспособным.Однако, если Y-конденсаторы, которые спроектированы так, чтобы открываться при сбоях, выходят из строя, блок питания может продолжать работать, подвергая пользователей риску поражения электрическим током.

    Типовой вход переменного/постоянного тока

    Другие компоненты, такие как предохранитель, сложнее идентифицировать, так как они могут выйти из строя в случае перенапряжения. В нормальных условиях предохранитель будет выглядеть как короткое замыкание, а увеличение напряжения просто заставит предохранитель проводить меньший ток. Если внутри источника питания произойдет сбой, например, короткое замыкание X-конденсатора, предохранитель сработает и отключит цепь от источника входного сигнала.Однако, если превышено максимальное напряжение предохранителя и произойдет короткое замыкание X-конденсатора, предохранитель не сможет подавить искрение. Это не позволит сохранить цепь разомкнутой, что приведет к продолжению тока через неисправный конденсатор, вызывая проблемы как в восходящем, так и в нисходящем направлении.

    В других случаях перенапряжение связано с паразитными компонентами, значения которых трудно определить. Ключ в обратноходовом преобразователе, например, имеет пиковое напряжение, определяемое не только входным напряжением, но также индуктивностью рассеяния и коэффициентом трансформации.В таких случаях напряжение напряжения не всегда можно определить, просто взглянув на схему или таблицы данных, а вместо этого необходимо измерить напрямую.

    Слева: типовая схема обратного хода с дискретными компонентами. Справа: схема обратного хода с паразитными компонентами, добавленными красным. При работе источника питания ниже минимального рабочего напряжения ток во многих компонентах будет пропорционально увеличиваться.Предохранитель, выпрямитель, переключатели и другие компоненты, через которые проходит этот повышенный ток, будут рассеивать больше энергии, что приведет к повышению температуры и вероятности выхода из строя. Магнитные компоненты, такие как дроссель с коррекцией коэффициента мощности (PFC), также будут проводить больший ток, и в результате их индуктивность полностью упадет или насытится. В зависимости от конкретной топологии это может привести к увеличению пикового тока (потенциально повреждая такие компоненты, как переключатель), увеличению рабочей частоты, снижению эффективности или сбою преобразования мощности в целом.

    Превышение пределов входного напряжения — сбои системы

    Когда такие параметры, как рабочая частота или диапазон рабочего цикла, нарушаются, системные сбои могут привести к неправильной работе внутренних функций различных топологий. Например, преобразователь LLC изменяет рабочую частоту для регулирования выходного напряжения, при этом частота обратно пропорциональна входному/выходному усилению преобразователя. Однако если входное напряжение уменьшится, то частота также уменьшится, чтобы увеличить коэффициент усиления и сохранить постоянное выходное напряжение.Неотъемлемой характеристикой LLC-преобразователя является то, что кривая усиления поддерживает это обратное отношение частоты к усилению только до определенной частоты. Ниже этой частоты соотношение становится обратным (т. е. усиление увеличивается с частотой). Если входное напряжение снижается до точки, в которой источник питания переходит в эту область (известную как емкостная область), источник питания может работать со сбоями или полностью выйти из строя.

    Некоторые неизолированные преобразователи, включая повышающий преобразователь, используемый в цепи PFC, преобразуют только в одном направлении, вверх или вниз.В случае повышающего преобразователя он выдает только напряжение, превышающее входное напряжение. Если источник питания переменного/постоянного тока с коррекцией коэффициента мощности работает с входным напряжением, превышающим выходное напряжение повышающего преобразователя, повышающий преобразователь не будет работать и не сможет скорректировать коэффициент мощности. Точно так же понижающий преобразователь, который преобразует высокое входное напряжение в низкое выходное, не может работать при напряжении ниже выходного. Понижающий преобразователь также содержит переключатель, затвор которого не связан с землей, и, как следствие, использует схему самонастройки для создания напряжения затвор-исток для управления полевым транзистором.Эта схема бутстрапа основана на коммутационном действии для создания напряжения затвора, поэтому, когда входное напряжение слишком близко к выходному напряжению, синхронизация переключения не позволяет схеме бутстрапа создавать напряжение управления затвором, и схема перестает работать.

    Блоки питания также имеют встроенные схемы защиты для предотвращения работы при определенных условиях. Это становится более распространенным при более высоких уровнях мощности, поскольку отказы более опасны и/или дороги. Защита от пониженного напряжения — это функция, обычно используемая в источниках питания постоянного и переменного тока большей мощности, которая отключает источник питания, если входное напряжение падает ниже заданного порога.

    Превышение пределов входного напряжения — сбои в спецификации

    Эксплуатация за пределами спецификации не всегда приводит к полному отказу, а вместо этого приводит к тому, что производительность источника питания выходит за пределы спецификации. Как указывалось ранее, уменьшение входного напряжения приведет к увеличению входного тока, что приведет к увеличению потерь и нагрева, а также к снижению диапазона рабочих температур и КПД.

    Для защиты источника питания от катастрофического сбоя в контроллеры часто встроена защита от определенных условий.Эти защиты не отключают источник питания, а вместо этого фиксируют характеристику на определенном значении. Например, в случае топологии LLC часто внутри контроллера есть ограничения по частоте. Как описано ранее, по мере снижения входного напряжения частота переключения будет увеличиваться для поддержания постоянного выходного напряжения. Если контроллер зафиксирует частоту, как только она достигнет минимума, то выходное напряжение начнет уменьшаться вместе с входным напряжением.

    В то время как влияние входного напряжения на рабочие характеристики легко оценить в некоторых случаях, таких как описанные выше, влияние входного напряжения в других случаях оценить труднее.Одним из таких примеров является взаимосвязь между входным напряжением и электромагнитными излучениями (EMI). Работа за пределами указанного диапазона входного напряжения может сильно повлиять на электромагнитные помехи и привести к несоблюдению соответствующих правил. Добавленное напряжение или нагрузка по току могут дополнительно изменить эффективность фильтра электромагнитных помех, а для устройств с переменной частотой изменить рабочую точку до уровня, вызывающего отказ.

    Заключение

    Входное напряжение влияет на многие аспекты источника питания, включая нагрузку на компоненты, рабочую точку и производительность.Работа за пределами указанного диапазона может повлиять на один или несколько из этих элементов и, если зайти слишком далеко, вызвать срабатывание схемы защиты или полный отказ. Чтобы узнать, как далеко источник питания можно сдвинуть в определенном направлении и каковы будут последствия, требуется знание номиналов и значений внутренних компонентов, которые редко доступны пользователю и их трудно определить. Лучший способ определить безопасную работу источника питания за пределами указанного диапазона входного напряжения — спросить производителя, который может определить риски и/или внести изменения в конструкцию, необходимые для обеспечения работы на желаемом уровне.

    Категории: Тестирование и анализ отказов

    Вам также может понравиться


    Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?
    Отправьте нам электронное письмо по адресу powerblog@cui.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.