Входное напряжение: что это такое и как оно влияет на работу электронных устройств

Что такое входное напряжение. Как измерить входное напряжение. Какие бывают типы входного напряжения. Как входное напряжение влияет на работу электронных схем. Почему важно учитывать входное напряжение при проектировании.

Что такое входное напряжение

Входное напряжение — это электрическое напряжение, подаваемое на вход электронного устройства или схемы. Оно является одним из ключевых параметров, определяющих работу электронной аппаратуры.

Входное напряжение обычно обозначается как Uвх или Vin. Его основные характеристики:

• Величина (амплитуда) — измеряется в вольтах
• Форма сигнала — постоянное, переменное, импульсное и т.д.
• Частота — для переменного и импульсного сигналов
• Допустимый диапазон значений

Понимание особенностей входного напряжения критически важно при проектировании и эксплуатации электронных устройств. От него зависит корректная работа схемы и выходные параметры.

Измерение входного напряжения

Существует несколько основных способов измерения входного напряжения:

1. С помощью мультиметра (тестера) в режиме вольтметра. Подключите щупы параллельно входным клеммам устройства.
2. Осциллографом — позволяет визуально наблюдать форму сигнала и измерять амплитуду.
3. Специализированными измерительными приборами, например анализаторами спектра.
4. Встроенными средствами измерения самого устройства, если они предусмотрены.

При измерении важно соблюдать правила техники безопасности и учитывать особенности конкретной схемы. Для точных измерений используйте калиброванные приборы.

Типы входного напряжения

Входное напряжение может иметь различную природу и характеристики. Основные типы:

Постоянное входное напряжение

Имеет неизменную во времени величину и полярность. Обычно используется для питания электронных схем. Пример: напряжение от батареи или стабилизированного источника питания.

Переменное входное напряжение

Периодически изменяет свою величину и полярность. Характеризуется амплитудой, частотой и формой сигнала. Пример: напряжение электросети 220В 50Гц.

Импульсное входное напряжение

Представляет собой последовательность импульсов определенной формы, амплитуды и длительности. Часто используется в цифровых схемах.

Шумовое входное напряжение

Случайные флуктуации напряжения, вызванные различными физическими процессами. Обычно рассматривается как нежелательное явление.

Выбор типа входного напряжения зависит от назначения устройства и особенностей его работы.

Влияние входного напряжения на работу схем

Входное напряжение оказывает существенное влияние на функционирование электронных устройств:

• Определяет режимы работы активных элементов схемы (транзисторов, микросхем)
• Влияет на потребляемую мощность устройства
• От него зависят выходные параметры (напряжение, ток, мощность)
• Может вызывать нежелательные эффекты при выходе за допустимые пределы

Рассмотрим несколько примеров влияния входного напряжения:

Усилители

В усилителях входное напряжение определяет коэффициент усиления и выходную мощность. При превышении допустимого уровня возникают искажения сигнала.

Стабилизаторы напряжения

Входное напряжение должно быть выше выходного на величину падения напряжения в схеме стабилизатора. При слишком низком входном напряжении стабилизация нарушается.

Цифровые схемы

Уровень входного напряжения определяет логические состояния. Выход за допустимые пределы может привести к сбоям в работе или выходу из строя.

Правильный выбор и поддержание входного напряжения в заданных пределах — залог надежной работы электронных устройств.

Входное сопротивление и его связь с напряжением

Важным параметром, связанным с входным напряжением, является входное сопротивление схемы. Оно определяет, какой ток будет потребляться при подаче определенного напряжения.

Входное сопротивление Rвх связано с входным напряжением Uвх и входным током Iвх законом Ома:

Rвх = Uвх / Iвх

Высокое входное сопротивление позволяет:

• Минимизировать нагрузку на источник сигнала
• Уменьшить искажения входного сигнала
• Снизить потребляемую мощность

Низкое входное сопротивление может потребоваться для:

• Согласования импедансов в ВЧ-схемах
• Создания нагрузки для источника сигнала

При проектировании важно учитывать входное сопротивление и его влияние на работу схемы с заданным входным напряжением.

Защита от перенапряжения на входе

Превышение допустимого входного напряжения может привести к выходу устройства из строя. Поэтому важно предусмотреть защиту от перенапряжений:

• Варисторы — резко снижают сопротивление при превышении порогового напряжения
• Стабилитроны — ограничивают напряжение на заданном уровне
• TVS-диоды — быстродействующие защитные диоды
• Предохранители — разрывают цепь при превышении тока
• Оптроны — обеспечивают гальваническую развязку

Выбор метода защиты зависит от особенностей схемы и ожидаемых перенапряжений. Часто применяют комбинацию различных способов для повышения надежности.

Особенности входного напряжения в разных устройствах

Требования к входному напряжению могут сильно отличаться для разных типов электронных устройств:

Бытовая техника

Обычно рассчитана на стандартное сетевое напряжение 220В 50Гц. Допустимые отклонения ±10%. Защита от перенапряжений обязательна.

Портативная электроника

Использует низковольтное питание от батарей или аккумуляторов (3-12В). Требуется защита от переполюсовки и стабилизация напряжения.

Автомобильная электроника

Номинальное входное напряжение 12В (легковые) или 24В (грузовые). Должна выдерживать значительные колебания напряжения бортовой сети.

Промышленное оборудование

Может использовать трехфазное питание 380В. Требуется высокая помехозащищенность и надежность.

Измерительные приборы

Часто имеют несколько диапазонов входных напряжений. Необходима высокая точность и линейность преобразования.

При разработке устройств важно учитывать специфику их применения и соответствующие требования к входному напряжению.

Заключение

Входное напряжение является ключевым параметром, определяющим работу электронных устройств. Его правильный выбор и контроль обеспечивают надежное функционирование аппаратуры.

Основные моменты, которые следует учитывать:

• Соответствие входного напряжения допустимому диапазону для устройства
• Влияние входного напряжения на режимы работы и выходные параметры
• Необходимость защиты от перенапряжений и других нештатных ситуаций
• Особенности входного напряжения для конкретного типа устройств
• Связь входного напряжения с входным сопротивлением схемы

Грамотный подход к вопросам входного напряжения позволяет создавать надежные и эффективные электронные устройства. При возникновении сложностей рекомендуется обращаться к специалистам или изучать дополнительную техническую литературу по теме.

входное напряжение — это… Что такое входное напряжение?

входное напряжение

3.3 входное напряжение (declared input voltage) U_din: Напряжение, определяемое напряжением в системе электроснабжения и коэффициентом преобразования измерительного преобразователя.

Смотри также родственные термины:

33 входное напряжение (операционного усилителя):

Напряжение между входом и общим выводом или между входами для дифференциального усилителя

25. Входное напряжение высокого уровня цифрового передающего оптоэлектронного модуля

Входное напряжение высокого уровня

Значение входного напряжения цифрового передающего оптоэлектронного модуля, при котором мощность оптического излучения на выходе модуля равна мощности излучения высокого уровня

17. Входное напряжение лампы

Входное напряжение

Изменяющееся во времени напряжение, подводимое к входным выводам лампы

26. Входное напряжение низкого уровня цифрового передающего оптоэлектронного модуля

Входное напряжение низкого уровня

Значение входного напряжения цифрового передающего оптоэлектронного модуля, при котором мощность оптического излучения на выходе модуля равна мощности излучения низкого уровня

33. Входное напряжение оптопары (оптоэле ктронного коммутатора, оптоэлектронного переключателя)

Входное напряжение

Input voltage

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЮЩИХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

36. Входное напряжение передающего оптоэлектронного модуля

Входное напряжение ПОМ

Значение напряжения электрического сигнала на входе передающего оптоэлектронного модуля, работающего в заданном режиме эксплуатации

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

• входное механическое сопротивление виброизолятора Z_вхij
• входное напряжение (операционного усилителя)

Полезное

Смотреть что такое «входное напряжение» в других словарях:

• входное напряжение — Udin Напряжение, определяемое напряжением в системе электроснабжения и коэффициентом преобразования измерительного преобразователя. [ГОСТ Р 51317.4.30 2008 (МЭК 61000 4 30:2008)] EN declared input voltage Udin value obtained from the declared… …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение — įėjimo įtampa statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. input voltage vok. Eingangsspannung, f rus. входное напряжение, n pranc. tension d entrée, f …   Automatikos terminų žodynas

• входное напряжение — įėjimo įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtampa, veikianti elektrinio arba elektroninio įtaiso įėją. atitikmenys: angl. input voltage vok. Eingangsspannung, f rus. входное напряжение, n pranc. tension d’entrée, f …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

• входное напряжение — įėjimo įtampa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. input voltage vok. Eingangsspannung, f rus. входное напряжение, n pranc. tension d’entrée, f …   Fizikos terminų žodynas

• входное напряжение высокого уровня интегральной микросхемы — входное напряжение высокого уровня Напряжение высокого уровня на выходе интегральной микросхемы. Обозначение U1вх UIH Примечание Напряжение высокого уровня наиболее положительное (наименее отрицательное) напряжение. [ГОСТ 19480 89] Тематики… …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение низкого уровня интегральной микросхемы — входное напряжение низкого уровня Напряжение низкого уровня на входе интегральной микросхемы. Обозначение U0вх UIL Примечание Напряжение низкого уровня наименее положительное (наиболее отрицательное) напряжение. [ГОСТ 19480 89] Тематики… …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение интегральной микросхемы — входное напряжение Напряжение на входе интегральной микросхемы в заданном режиме. Обозначение Uвх UI [ГОСТ 19480 89] Тематики микросхемы Синонимы входное напряжение …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение лампы — входное напряжение Изменяющееся во времени напряжение, подводимое к входным выводам лампы. [ГОСТ 20412 75] Тематики электровакуумные приборы Синонимы входное напряжение …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение покоя интегральной микросхемы — входное напряжение покоя Постоянное напряжение на входе интегральной микросхемы с невключенным входом или с нулевым входным сигналом. Обозначение U0вх UIQ [ГОСТ 19480 89] Тематики микросхемы Синонимы входное напряжение покоя …   Справочник технического переводчика

• входное напряжение блокировки интегральной микросхемы — входное напряжение блокировки Наименьшее значение напряжения на входе интегральной микросхемы при заданном значении входного тока. Обозначение Uвх.бл UIK [ГОСТ 19480 89] Тематики микросхемы Синонимы входное напряжение блокировки …   Справочник технического переводчика

Входное и выходное сопротивление — Практическая электроника

Входное и выходное сопротивление является очень важным в электронике.

Предисловие

Ладно, начнем издалека… Как вы знаете, все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и тд. В нашей статье будем использовать понятие «блок». Например, источник питания, собранный по этой схеме:

состоит из двух блоков. Я их пометил в красном и зеленом прямоугольниках.

В красном блоке мы получаем постоянное напряжение, а в зеленом блоке мы его стабилизируем. То есть блочная схема будет такой:

Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.

Ладно, что-то отвлеклись. Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

— Ага! Так что же получается? Я могу просто тупо взять готовые блоки и изобрести любое электронное устройство, которое мне придет в голову?

Да! Именно на это нацелена сейчас современная электроника 😉 Микроконтроллеры  и конструкторы, типа Arduino, добавляют еще больше гибкости в творческие начинания молодых изобретателей.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Думаю, все помнят, что такое сопротивление и что такое резистор. Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением. Но что такое входное и выходное сопротивление? Это уже что-то новенькое. Если прислушаться к этим фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления?  А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

Итак, имеем какой-либо блок. Как принято во всем мире, слева — это вход блока, справа — выход.

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U_вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение U_вых (или не появится, если блок является конечным).

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U_вх), следовательно, у нас этот блок будет кушать какую-то силу тока I_вх.

Теперь самое интересное… От чего зависит I_вх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи :

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти?  А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет). Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока. Скажем так, совокупное сопротивление.

Как измерить входное сопротивление

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1)Замерить напряжение U_вх, подаваемое на этот блок

2)Замерить силу тока I_вх, которую потребляет наш блок

3) По закону Ома найти входное сопротивление R_вх.

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Мы  с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как U_R

Из всего этого получаем…

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

[quads id=1]

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R_вх=1 МегаОм, а резистор взяли  R=1 КилоОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 Вольт. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

В результате получается цепь:

 Высчитываем силу тока в цепи в Амперах

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в Вольтах будет:

Грубо говоря 0,01 Вольт. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем китайском мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также  очень большого номинала.  В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Измерение входного сопротивления на практике

Ну все, запарка прошла ;-). Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Мой взгляд сразу упал на Транзистор-метр. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 Вольт, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. Как замерить силу тока в цепи, читаем в этой статье. По схеме все это будет выглядеть вот так:

А на деле вот так:

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Получаем:

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление». Кому лень читать про этот закон, вкратце рассмотрим его здесь.

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогенную лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

И как только  подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Разница напряжения,  то есть 0,3 Вольта (12,09-11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r 😉 Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС (Е).

Но только ли аккумуляторы и различные батарейки обладают выходным сопротивлением? Не только. Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина (короче, умный мужик такой был)  говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе туеву кучу различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести тупо к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения (E_{эквивалентное}) и с каким-то внутренним сопротивлением (R_{эквивалентное}).

E_экв  — эквивалентный источник ЭДС

R_экв  — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС (E). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить R_вых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания I_кз.

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически  — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешеного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Измерение выходного сопротивления на практике

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогенную лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки.

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U_R=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило U_r=E-U_R=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

Заключение

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль. В этом мы убедимся, когда начнем рассматривать статью по согласованию узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается автоматически.

Входное выходное напряжение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Входное выходное напряжение

Cтраница 2

Входное и выходное напряжения усилителя переменного тока представляют собой модулированные напряжения несущей частоты, в качестве которой в автоматике в основном используют частоты переменных питающих напряжений 50, 400 и 1000 Гц. Усилители с импульсными сигналами на входе и выходе также относятся к группе усилителей переменного тока.  [16]

Входными и выходными напряжениями описываемых схем, как видно из рассмотрения принципа их работы, могут быть напряжения различного характера.  [18]

Амплитуду входных и выходных напряжений, длительность импульсов, частоту генерации, скорость нарастания выходного напряжения в интеграторе и дифференциаторе определяют с помощью осциллографа.  [19]

Измерение входных и выходных напряжений, напряжений питания производится путем подключения измерителя постоянного напряжения к входам или выходам измеряемой микросхемы или выводам питания. При этом отключается вспомогательный усилитель.  [20]

Форма входного и выходного напряжения наблюдается с помощью осциллографа. Напряжения измеряются электронным вольтметром переменного тока. Потребляемый от источника ток измеряется амперметром, смонтированным в источнике питания.  [21]

Измеряем входное и выходное напряжения. При входном напряжении 0 5 мВ снимем частотную характеристику сжимателя, которая должна быть в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц прямой.  [22]

Диапазон изменения входных и выходных напряжений преобразователей, для которых целевая функция получена путем суммирования, вычитания, умножения и возведения в степень, находится в пределах 0 10 В.  [23]

Так как входное и выходное напряжения такого датчика различаются только по значению, то его можно считать датчиком мгновенного значения напряжения. При необходимости контроля среднего значения напряжения, например, в цепях постоянного тока с пульсирующим напряжением, он может быть дополнен фильтром переменной составляющей ( см. § 2 — 5) контролируемого напряжения.  [25]

С-цепи, входное и выходное напряжения имеют общую точку; входное напряжение подается на резистор, выходное — снимается с конденсатора.  [27]

Связь между входными и выходными напряжениями и токами иг и Ilt Uz и / 2 линейного активного ( неавтономного) и пассивного четырехполюсников ( при положительных направлениях напряжений и токов, указанных на рис. 11.1) может быть выражена одной из следующих шести форм основных уравнений.  [28]

Как связаны между собой входное и выходное напряжение трансформатора.  [29]

При таком раскладе входных и выходных напряжений чоппер может здорово выручить разработчика. Автору этой книги однажды пришлось в срочном порядке решать именно такую проблему. Судите сами, насколько все серьезно.  [30]

Страницы:      1    2    3    4    5

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

1 июня 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

• Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
• Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
• Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Оригинал статьи

Список опубликованных глав

1. 1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
   2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
   3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
   4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
   5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
   6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
   7. Входной импеданс против входного тока смещения
   8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
   9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
   10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
   13. Приручаем нестабильный ОУ
   14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
   15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
   16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
   17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
   18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
   19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
   20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
   21. Время установления: взгляд на форму сигнала
   22. Шум резисторов: обзор основных понятий
   23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
   24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
   25. 1/f-шум: фликкер-шум
   26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
   27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
   28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
   29. Защита входов от перенапряжений
   30. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
   31. ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Релейный модуль (788-391) | WAGO RU

Релейный модуль (788-391) | WAGO RU

{{ $wgi18n(‘product.color.label’) }}

{{ item.categoryNames[0] }} {{ item.familyCategory.name | decodeText }} {{ formattedCode }}

{{ plaintextShortName }}

{{ (index > 0) ? «; » : «» }}{{ text }}

{{ $wgi18n(‘product.stocktype’) }}

{{ productStatus.text }} {{ $wgi18n(‘product.status.cancelled.followup.text’) }}

{{ $wgi18n(‘product.status.announced.available’) }}: {{ item.purchasableFrom }}

{{ $wgi18n(‘product.status.announced.info’) }}

{{ $wgi18n(‘product.ready.for.despatch’) }}: {{ productAvailabilityValue }}

{{ $wgi18n(‘product.product.price.list.piece’) }}* {{listPrice}}

{{ $wgi18n(‘product.product.price.piece.your’) }}* {{ $wgi18n(‘product.volumePrices.log.for.price’) }} {{ priceValue }}

{{ $wgi18n(‘quickOrder.quantity.types’) }}: {{ item.numberPackageUnits }} ({{ item.numberContentUnits }}) {{ item.unit.name }}

{{ indicator }}

Теперь Вы можете добавить желаемое количество этого товара в свою корзину.

{{ TEXTS.counterpartsIntro }} {{ TEXTS.counterpartsAdditionally }}

{{ TEXTS.counterpartsOverline }}

{{ visibleCounterparts.length {{ $wgi18n(‘product.sort.done’) }} {{ selectedOption.label }} {{ variant.unit.symbol }}

Другие клиенты также приобрели

Релейный модуль (858-514) | WAGO RU

Релейный модуль (858-514) | WAGO RU

{{ $wgi18n(‘product.color.label’) }}

{{ item.categoryNames[0] }} {{ item.familyCategory.name | decodeText }} {{ formattedCode }}

{{ plaintextShortName }}

{{ (index > 0) ? «; » : «» }}{{ text }}

{{ $wgi18n(‘product.stocktype’) }}

{{ productStatus.text }} {{ $wgi18n(‘product.status.cancelled.followup.text’) }}

{{ $wgi18n(‘product.status.announced.available’) }}: {{ item.purchasableFrom }}

{{ $wgi18n(‘product.status.announced.info’) }}

{{ $wgi18n(‘product.ready.for.despatch’) }}: {{ productAvailabilityValue }}

{{ $wgi18n(‘product.product.price.list.piece’) }}* {{listPrice}}

{{ $wgi18n(‘product.product.price.piece.your’) }}* {{ $wgi18n(‘product.volumePrices.log.for.price’) }} {{ priceValue }}

{{ $wgi18n(‘quickOrder.quantity.types’) }}: {{ item.numberPackageUnits }} ({{ item.numberContentUnits }}) {{ item.unit.name }}

{{ indicator }}

Теперь Вы можете добавить желаемое количество этого товара в свою корзину.

{{ TEXTS.counterpartsIntro }} {{ TEXTS.counterpartsAdditionally }}

{{ TEXTS.counterpartsOverline }}

{{ visibleCounterparts.length {{ $wgi18n(‘product.sort.done’) }} {{ selectedOption.label }} {{ variant.unit.symbol }}

Другие клиенты также приобрели

Основные параметры стабилизаторов напряжения

Содержание

Фазность

Количество фаз указывает на тип сети, в которую может включаться стабилизатор, и на категорию нагрузки, которая может от него запитываться. С этого параметра следует начинать выбор стабилизатора.

Однофазные стабилизаторы предназначены для работы с однофазным входным напряжением и предусматривают подключение только однофазных потребителей. Трехфазные стабилизаторы работают, соответственно, с трехфазным входным напряжением, подключать к таким устройствам можно как трёхфазную, так и однофазную нагрузку.

В городских квартирах трехфазная сеть, как правило, не используется либо используется только для электроплиты, в большинстве случаев не требующей стабильного электропитания. Следовательно, для обычной квартиры в черте города выбор чаще всего очевиден – однофазный стабилизатор.

В частных домах и загородных коттеджах трехфазный ввод от питающей сети более распространён. В случае его наличия можно использовать как один трехфазный стабилизатор, так и три однофазных (отдельное устройство на каждую питающую фазу). Вариант с тремя независимыми стабилизаторами позволит индивидуально подобрать и настроить прибор для каждой фазы, учитывая потребляемую от неё мощность и особенности подключенной к ней нагрузки. Кроме того, система из трех стабилизаторов более устойчива к неполадкам, так как возникновение сбоя на одной из фаз не скажется на функционировании двух других. Стоит отметить, что и суммарная цена трёх однофазных стабилизаторов обычно меньше, чем одного – трехфазного.

Главным минусом вышерассмотренного варианта является невозможность подключения мощных трехфазных потребителей. Поэтому трехфазный стабилизатор необходим при наличии даже одного работающего от трех фаз устройства.

При подключении однофазных нагрузок к трехфазной сети (через отдельные однофазные стабилизаторы или через единый – трехфазный) все электроприёмники следует равномерно распределять между питающими фазами, иначе возможно возникновение в сети несимметрии токов и напряжений, негативно влияющей на электрооборудование. Исключить подобное явление помогут стабилизаторы топологии «3 в 1», имеющие трехфазный вход и однофазный выход, что гарантирует идентичную нагрузку на все фазы трехфазной сети при подключении однофазной нагрузки.

Мощность

Мощность стабилизатора зависит от его конструкции и определяет допустимую к подключению нагрузку. Чтобы определить необходимое значение данного параметра, необходимо посчитать суммарное энергопотребление всех устройств, которые планируется одновременно питать от стабилизатора. Для этого достаточно сложить указанные в их технических паспортах показатели потребляемой мощности и добавить к полученному значению запас в 30%.

Следует обратить внимание на приборы, в составе которых присутствует электродвигатель. В быту это, как правило, холодильник, стиральная машина, кондиционер, различный электроинструмент и насосы. Включение такого оборудования сопровождается возникновением высоких пусковых токов, обуславливающих кратковременный скачок потребляемой из сети мощности, показатели которой могут превышать номинальную в несколько раз. Поэтому при вычислении суммарного энергопотребления нагрузки, для каждого устройства с электродвигателем необходимо использовать не номинальное значение мощности, а предельное – пусковое (при отсутствии данных о пусковом значении – величину номинальной мощности, умноженную на три).

Распространённая ошибка связана с обозначением электрической мощности, которая для стабилизаторов обычно указывается в Вольт-Амперах (ВА), а для прочих электроприборов – в Ваттах (Вт). Покупатели часто не обращают внимания на единицы измерения, полагаясь только на численный показатель. При этом стабилизатор, имеющий выходную мощность в 500 ВА, не будет соответствовать нагрузке в 500 Вт.

Для подбора актуальной модели стабилизатора необходимо мощность предполагаемой нагрузки перевести из Ватт в Вольт-Амперы, поделив значение в Вт на коэффициент мощности – cos(φ). Величину cos(φ), соответствующую определённому устройству, можно найти в его технических характеристиках или в интернете. При отсутствии данных допустимо принять значение из типового интервала, составляющего для привычных нам бытовых электроприборов – 0,7-0,8 (для осветительной и нагревательной техники – 0,9-1).

Диапазон входного напряжения

Этот параметр измеряется в вольтах и определяет верхний и нижний порог сетевого напряжения, в пределах которого стабилизатор функционирует и питает нагрузку электроэнергией заявленного качества.

В многоквартирных домах перепады напряжения в сети редко превышают 20% от номинала – большинство современных стабилизаторов соответствуют данным требованиям и легко справляются с подобными колебаниями.

В случае выбора устройства для дома, расположенного за городской чертой, следует учитывать, что чем удалённее находится строение от крупных населенных пунктов, тем шире амплитуда встречающихся в нём скачков напряжения. Для большинства коттеджей требуются модели с границами входного напряжения не менее 130-270 В, а в ряде случае могут понадобиться стабилизаторы и с более широким диапазоном.

Для приобретения стабилизатора с диапазоном входного напряжения, максимально соответствующим колебаниям в электросети, необходимо измерить фактическое напряжение на месте будущей установки прибора. Замеры следует делать в разное время суток и в разные дни недели (желательно в выходные и в будни) – только так вы получите наиболее полную картину сетевых отклонений. При отсутствии навыков, позволяющих провести необходимые измерения самостоятельно, рекомендуем обратиться за помощью к профессиональному электрику.

Важно помнить, что диапазон входного напряжения у стабилизатора должен быть шире, чем амплитуда реальных колебаний в электросети. Также стоит отметить, что внутри допустимого диапазона входного напряжения присутствуют определённые границы, называемые рабочим диапазоном. Выход сетевых параметров за пределы рабочего диапазона сопровождается снижением выходной мощности стабилизатора, что может вызвать перегрузку устройства даже при номинальной нагрузке.

Точность стабилизации

Точность стабилизации или «погрешность» стабилизатора в процентном отношении указывает на величину возможного отклонения выходного напряжения устройства от номинального значения.

Современные стабилизаторы обеспечивают точность в пределах 10%. Зависит этот параметр, в первую очередь, от конструкции. Самой высокой точностью обладают инверторные модели, у которых данный показатель составляет 2%, что практически недоступно для полупроводниковых, релейных и электромеханических стабилизаторов. Столь высокая точность необходима для медицинского, измерительного или промышленного оборудования.

У большинства применяемых в быту электроприборов требования к качеству электропитания чуть ниже: они стабильно функционируют при отклонениях входного напряжения и в 7%. Однако отдельным устройствам всё-таки нужен более высокий показатель точности – это техника, работой которой управляет электроника (автоматические стиральные машины, кондиционеры), а также аудио- и видеоаппаратура, где от качества входного электропитания зависит чистота изображения и звука.

При покупке стабилизатора следует убедиться в том, что его точность соответствует величине допустимых для нагрузки отклонений питающего напряжения. Если потребителей несколько и они обладают различными требованиями к точности входного напряжения, то точность стабилизатора следует выбирать исходя из самого узкого диапазона допустимых колебаний.

Быстродействие

Эта характеристика измеряется в миллисекундах и определяет время, которое понадобится устройству, для того чтобы нейтрализовать скачок напряжения и подать на вход нагрузки электроэнергию с номинальными или наиболее близкими к номинальным параметрами.

Быстродействие – важный показатель уровня предоставляемой стабилизатором защиты. Чем выше быстродействие, тем ниже риск повреждения подключенного к прибору оборудования при перепадах сетевого напряжения.

Максимальным быстродействием обладают инверторные стабилизаторы, мгновенно (за 0 мс) отрабатывающие любые сетевые возмущения, что позволяет использовать данные аппараты для защиты абсолютно любого электрооборудования!

Принцип регулирования напряжения

Принцип регулирования сетевого напряжения определяет у стабилизатора форму выходного сигнала.

Приборы с дискретным (ступенчатым) регулированием не могут генерировать идеальную синусоиду, а именно такая форма переменного напряжения необходима для корректного функционирования чувствительной электроники, например – системы управления газового котла. Кроме того, ступенчатое регулирование обуславливает разрывы в электропитании, неминуемо возникающие при переключении порогов стабилизации.

Электромеханические стабилизаторы отличаются плавным регулированием – форма их выходного напряжения ближе к идеальной синусоиде, чем у электронных устройств. Однако электромеханические модели проигрывают приборам с дискретным регулированием в скорости срабатывания, которой иногда может не хватить для обеспечения качественной защиты современного оборудования.

Наиболее плавное регулирование присуще инверторным стабилизатором, только такие приборы гарантируют выходное напряжение в форме идеальной синусоиды и безразрывное электропитание нагрузки во всем допустимом диапазоне входного напряжения.

Ознакомиться подробнее с модельным рядом инверторных стабилизаторов «Штиль» можно, перейдя по ссылке:
Стабилизаторы напряжения «Штиль» инверторного типа.

Способ установки

Существует три способа установки стабилизатора – настенный (навесной), напольный и стоечный. Первый подразумевает размещение на вертикальной плоскости (стене), второй – на горизонтальной поверхности (стол или пол), третий – в телекоммуникационном шкафу или стойке. Исполнение одних стабилизаторов допускает только какое-то определённое размещение, другие более универсальны – их можно устанавливать различными способами.

Выбирая стабилизатор, следует проанализировать помещение, в котором он будет эксплуатироваться, и подобрать модель, способ установки которой позволит поместить изделие с максимальным удобством как для подключения нагрузки, так и для обслуживания.

Важно помнить, что все стабилизаторы имеют предназначенные для вентиляции отверстия в боковых или нижних стенках. Следовательно, при установке стабилизатора нужно обеспечить зазор между указанными отверстиями и ближайшей поверхностью (не менее 20 см). Кроме того, не рекомендуется устанавливать стабилизатор на улице или в холодных, неотапливаемых помещениях, а также вблизи обогревательных приборов и в местах прямого падения солнечных лучей.

Габаритные размеры и вес

Габаритные размеры стабилизатора выбираются исходя из наличия свободного пространства на месте предполагаемой установки прибора. При размещении на поддерживающей конструкции (навесной полке) необходимо удостовериться, что вес стабилизатора не превышает значение нагрузки, допустимой для этой конструкции.

Следует понимать, что с увеличением мощности стабилизатора возрастают как его габаритные размеры, так и масса.

Средства индикации и мониторинга

Небольшим бытовым стабилизаторам достаточно иметь световую индикацию для сигнализации о различных режимах работы и дисплей для отображения информации об основных характеристиках прибора.

Для более мощных стабилизаторов, которые обычно применяются в промышленности и обслуживаются профессиональными специалистами, кроме вышеназванного необходимо также наличие поддерживающих различные каналы связи средств удаленного мониторинга.

Каковы основные 3 недостатка превышения входного напряжения источника питания?

Общий вопрос, который задают инженеры при разработке спецификаций блоков питания: «Что, если я эксплуатирую блок питания за пределами определенного диапазона спецификаций?» Чтобы помочь ответить на этот вопрос, разработчик должен обозначить потенциальные недостатки и отказы, которые могут возникнуть при работе источника питания за пределами его установленных пределов. Давайте обсудим три основных потенциальных проблемы, которые могут возникнуть, когда входное напряжение выходит за пределы допустимого диапазона источника питания.

Пределы входного напряжения

Во всем мире доступное сетевое напряжение и связанная с ним стабильность могут сильно различаться, что затрудняет разработку источника питания, который удовлетворяет потребностям диапазона входного сигнала для всех приложений. Если предположить, что входные характеристики источника питания «достаточно близки» к желаемому рабочему напряжению приложения, это может привести к сбоям, если источник питания будет работать за пределами допустимых пределов. Эти отказы можно определить как отказы компонентов, отказы системы или отказы спецификаций, и каждый из них по-разному влияет на источник питания и производительность системы.

1. Превышение пределов входного напряжения — отказы компонентов

Отказы компонентов возникают, когда компонент поврежден и больше не работает должным образом. Подача напряжения, превышающего максимальное рабочее напряжение компонента, — простой способ повредить любой компонент. Многие компоненты, размещенные на входе, такие как Х-конденсаторы, металлооксидные варисторы (MOV) и мостовые выпрямители, легко определить как подверженные напряжению. Если входное напряжение превышает их максимальное рабочее напряжение, конкретный режим отказа этих компонентов может привести к нескольким различным сценариям.Например, X-конденсаторы, которые предназначены для короткого замыкания по соображениям безопасности, скорее всего, сработают предохранитель, что приведет к неработоспособности источника питания. Однако, если Y-конденсаторы, которые предназначены для размыкания при отказе, выйдут из строя, источник питания может продолжать работать, подвергая пользователей риску поражения электрическим током.

Другие компоненты, такие как предохранитель, труднее определить как подверженные отказу в случае перенапряжения. В нормальных условиях предохранитель будет выглядеть как короткое замыкание, и увеличение напряжения просто заставит предохранитель пропускать меньший ток.Если сбой, такой как короткое замыкание X-конденсатора, происходит внутри источника питания, предохранитель размыкается и отключает цепь от источника входного сигнала. Однако, если максимальное напряжение предохранителя превышено и X-конденсатор закорочен, предохранитель не сможет подавить дугу. Это не позволит сохранить цепь разомкнутой, что приведет к продолжению протекания тока через неисправный конденсатор, что вызовет проблемы как наверху, так и на выходе.

Рекомендовано для вас: Мощные прорывные батареи, дешевые и простые в изготовлении

В других случаях напряжение связано с паразитными компонентами, значения которых трудно определить.Например, переключатель в обратном преобразователе имеет пиковое напряжение, определяемое не только входным напряжением, но также индуктивностью рассеяния и соотношением витков. В таких случаях напряжение не всегда можно определить, просто взглянув на схему или таблицы данных. Напротив, напряжение должно измеряться напрямую.

События пониженного напряжения также могут вызвать отказ компонентов. При работе источника питания ниже минимального рабочего напряжения ток во многих компонентах будет пропорционально увеличиваться.Предохранитель, выпрямитель, переключатели и другие компоненты, по которым протекает повышенный ток, будут рассеивать больше энергии, что приведет к повышению температуры и вероятности выхода из строя. Магнитные компоненты, такие как дроссель коррекции коэффициента мощности (PFC), также будут пропускать больший ток, и в результате их индуктивность падает или полностью насыщается. В зависимости от конкретной топологии это может привести к увеличению пикового тока (потенциально повреждающему компоненты, такие как переключатель), увеличению рабочей частоты, снижению эффективности или отказу преобразования мощности в целом.

2. Превышение пределов входного напряжения — системные сбои

При нарушении таких параметров, как рабочая частота или диапазон рабочего цикла, системные сбои могут привести к неправильному функционированию внутренних функций различных топологий. Например, LLC-преобразователь изменяет рабочую частоту для регулирования выходного напряжения, при этом частота обратно пропорциональна усилению вход-выход преобразователя. Однако, если входное напряжение уменьшается, тогда частота также будет уменьшаться, чтобы увеличить коэффициент усиления и поддерживать постоянное выходное напряжение.Неотъемлемой характеристикой LLC-преобразователя является то, что кривая усиления поддерживает только обратную зависимость отношения частоты к усилению до определенной частоты. Ниже этой частоты соотношение становится обратным (т. Е. Усиление увеличивается с увеличением частоты). Если входное напряжение уменьшается до точки, в которой источник питания смещается в эту область (известную как емкостная область), источник питания может работать неправильно или полностью выйти из строя.

Некоторые неизолированные преобразователи, включая повышающий преобразователь, используемый в схеме 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 высокий входной сигнал в низкий выходной, не может работать при напряжении ниже, чем выходное напряжение. 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 начальной загрузки полагается на действие переключения для создания напряжения затвора, поэтому, когда входное напряжение слишком близко к выходному напряжению, синхронизация переключения не позволяет схеме начальной загрузки создавать напряжение управления затвором, и схема перестает работать.

Вам также может понравиться: Как нитрид галлия позволяет использовать более компактные и эффективные источники питания

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

3. Превышение пределов входного напряжения — ошибки спецификации

Работа за пределами спецификации не всегда приводит к полному отказу, но вместо этого приводит к тому, что характеристики источника питания выходят за рамки спецификации. Как указывалось ранее, уменьшение входного напряжения вызовет увеличение входного тока, что приведет к увеличению потерь и тепла при одновременном уменьшении диапазона рабочих температур и эффективности.

Чтобы защитить источник питания от катастрофического отказа, контроллеры часто имеют встроенную защиту, позволяющую избежать определенных условий. Эти защиты не отключают источник питания, а вместо этого ограничивают характеристику на определенном значении. Например, в случае топологии LLC внутри контроллера часто существуют ограничения по частоте. Как описано ранее, по мере уменьшения входного напряжения частота переключения будет увеличиваться, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Если контроллер ограничивает частоту, когда она достигает минимума, выходное напряжение начинает уменьшаться вместе с входным напряжением.

Дополнительная литература: Как уничтожить литий-ионные батареи?

В то время как влияние на характеристики спецификации легко оценить в определенных случаях, таких как описанные выше, влияние входного напряжения в других случаях предсказать труднее. Одним из таких примеров является взаимосвязь между входным напряжением и электромагнитным излучением (EMI). Работа за пределами указанного диапазона входного напряжения может иметь большое влияние на электромагнитные помехи и привести к несоблюдению соответствующих нормативных требований.Дополнительное напряжение или ток нагрузки могут еще больше изменить эффективность фильтра электромагнитных помех, а для переменной частоты устройства изменяют рабочую точку до уровня, вызывающего отказ.

Обязательно спросите у производителя

Входное напряжение влияет на многие аспекты источника питания, включая нагрузки на компоненты, рабочую точку и производительность. Работа за пределами указанного диапазона может повлиять на один или несколько из этих элементов и, если нажать слишком далеко, сработает схема защиты или полный отказ.Знание того, насколько далеко можно продвинуть источник питания в определенном направлении и каковы последствия, потребует знания номинальных характеристик 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 — это спросить производителя, который может определить риски и внести изменения в конструкцию, необходимые для обеспечения работы на желаемом уровне.

Следите за входным напряжением вашей схемы во время включения!

В этом блоге указывается на обычное состояние включения питания EOS с помощью простого решения с добавлением резистора.

Электрическое перенапряжение, или EOS, описывает повреждение электрического устройства, вызванное током или напряжением, выходящим за пределы спецификации устройства. Но давайте подведем итоги. Термическое повреждение проявляется в виде видимого расплавленного или обгоревшего металла, карбонизированного компаунда пресс-формы и других признаков теплового повреждения, таких как металлические линии и расплавленные или испарившиеся соединительные проволоки.

В электрическом отношении устройство демонстрирует катастрофический отказ по нескольким причинам: источник или отвод избыточного тока питания, проявляющийся в виде низкого сопротивления между напряжением питания и землей, закороченных входных или выходных контактов к питанию или заземлению, или открытых соединений с одним или несколькими контактами. , и в большинстве случаев функциональный сбой.Событие EOS может быть кратковременным, длиться всего миллисекунды или может длиться до тех пор, пока сохраняется условие выхода за пределы спецификации. EOS может быть результатом единичного непериодического события или быть результатом продолжающихся периодических или непериодических событий.

В предыдущем блоге: «Используете схему ESD для решения всех ваших проблем? Предостережение для покупателя!» мы узнали, что сигналы электромагнитных помех мешают работе простого операционного усилителя (операционного усилителя) и создают хаос. В этой системе комбинация сигнала схемы, добавленного к введенному событию EMI, подтолкнула входной каскад устройства за пределы технических характеристик источника питания.

Другой сценарий приложения для события EOS — это когда входной сигнал операционного усилителя предшествует напряжению источника питания. Усилитель с буферной конфигурацией уязвим для этой последовательности событий включения питания (рисунок 1).

Рис. 1. Усилитель с однополярным питанием в буферной конфигурации.

Взгляните на рисунок 1 и представьте, что входное сопротивление платы равно нулю Ом. Входное напряжение (V _IN ) и последующий ток (I _IN ) проходят через очень маленькое сопротивление источника сигнала (R _S ), а затем поступают непосредственно на неинвертирующий вход операционного усилителя.В теоретической буферной конфигурации усилителя выходное напряжение усилителя (V _OUT ) будет соответствовать входному напряжению усилителя. На практике напряжение источника питания опаздывает, и скорость нарастания напряжения усилителя замедляет этот процесс.

Этот сценарий может потенциально повредить входные внутренние транзисторы защиты от электростатических разрядов, если ток от входного источника через усилитель остается неконтролируемым. Например, представьте, что напряжение питания медленно увеличивается с 0 до 5 В за 50 мс, а напряжение 3.Входной сигнал 5 В подается через 5 мс после того, как напряжение питания начинает нарастать (рисунок 2).

Рис. 2. Временная диаграмма для потенциально плохого события EOS.

На рисунке 2 проблема с этим сценарием состоит в том, что входы изначально выше, чем положительное напряжение шины. Это высокое напряжение включает положительный диод электростатического разряда усилителя с начальным выбросом тока более 30 мА. После всплеска тока ток медленно спадает примерно с 17,5 мА до 0 мА. Этот спад продолжается до тех пор, пока разница напряжений между питанием и входом не станет несколько меньше нуля.6В. Если входной источник (V _IN ) имеет низкий импеданс (R _S ) и может передавать ток, то потенциально опасный ток протекает через дорожки IC, диод ESD и соединительные провода.

Эта красивая симуляция указывает на проблему; однако в реальной жизни следы и переходы вашего усилителя разрушаются. Итак, давайте решим эту проблему. Включая последовательный входной резистор от 10 до 100 кВт (R _IN ), он защитит входную цепь от повреждения. С помощью входного последовательного резистора напряжение на входе усилителя будет уменьшено на R _IN x I _IN .

EOS вызывает тепловое повреждение компонентов в условиях перенапряжения или перегрузки по току. В настоящее время не существует отраслевого стандарта тестирования условий EOS. Чтобы избежать проблем с EOS, контролируйте линейные изменения напряжения питания и отслеживайте состояние контактов ввода-вывода во время включения и выключения питания. И, как мы узнали в предыдущем блоге, экранируйте чувствительные высокоимпедансные трассы от электромагнитных помех. В этом блоге указывается на обычное условие включения питания EOS с простым добавлением резистора.

Минимальное входное напряжение

— обзор

3 ФЭ системы, подключенные к сети

Архитектура массива в системах, подключенных к сети, должна рассматриваться наряду с характеристиками постоянного тока инвертора, включая максимальный входной ток, номинальное и минимальное входное напряжение и максимальная дальность слежения за мощностью. Калибровка сетевых систем рассматривается, например, в [24–26]. Этот анализ можно провести по аналогии с аргументами баланса энергии, которые использовались в разделе 2.1 для разработки процедуры определения размеров автономных фотоэлектрических систем. Энергия переменного тока, произведенная, например, E _AC , фотоэлектрической системой за один день, может быть оценена с помощью уравнения, аналогичного (1):

(6) EAC = ηP0PSH

, где P ₀ — номинальная мощность массива в STC, PSH — среднее значение пиковых солнечных часов в определенном месте, а η — КПД инвертора, который в целом зависит от выходной мощности.Эта зависимость может быть выражена в терминах собственного потребления инвертора и потерь, зависящих от нагрузки, как [27,28]

(7) η = poutpout + k0 + k1pout + k2pout2

, где

pout = PACPI

— мгновенная выходная мощность переменного тока, P _AC , нормированная на номинальную выходную мощность переменного тока инвертора P _I . Параметр k ₀ представляет коэффициент собственного потребления, который не зависит от выходной мощности.Линейные и квадратичные члены в знаменателе учитывают линейные по мощности нагрузки потери, такие как падения напряжения, тогда как омические потери учитываются квадратичным членом. Экспериментально измеренные кривые КПД инвертора могут быть легко подогнаны к этому уравнению, и значения параметров могут быть извлечены (см., Например, [28]). Эта процедура позволяет сравнивать различные инверторы и дает представление о происхождении доминирующих потерь путем моделирования [29]. Типичный вид функциональной зависимости КПД инвертора от выходной мощности показан на рисунке 4.

Рис. 4. Типичный КПД инвертора во время работы в фотоэлектрической системе, подключенной к сети, как функция выходной мощности. Данные: STaR Facility, Университет Саутгемптона. Линия соответствует уравнению (7) с k ₀ = 0,013; k ₁ = 0,02; k ₂ = 0,05.

Снижение эффективности инвертора при низкой мощности должно учитываться при выборе номинальной мощности инвертора. Общеизвестно, что преимущество может быть получено путем выбора номинальной мощности инвертора P _I меньшей, чем номинальная мощность P ₀ массива.Основываясь на эффективности инвертора, это, по сути, представляет собой компромисс между собственным потреблением и потерями инвертора, которые уменьшаются по мере того, как инвертор становится меньше номинального, и потерями энергии на верхнем пределе генерации PV, близком к условиям STC. Таким образом, выбор оптимального размера инвертора зависит от статистики выхода массива, которая связана с широтой участка, как описано в разделе 6 главы IIa-2, разделе 6 главы IIa-2. Например, рекомендуемое значение отношения P _I / P ₀ находится между 0.65 и 0,8 для стран Северной Европы и 0,75–0,9 больше подходят для среднеевропейских широт. В Южной Европе рекомендуемая цифра составляет 0,85 к 1 [28,30].

Несмотря на то, что эффективность системы важна, следует также соблюдать осторожность, чтобы избежать длительных периодов работы инвертора в условиях перегрузки. Nofuentes и Almonacid [30] предлагают размер, который превышает мощность постоянного тока, подаваемого на инвертор, в 99% случаев (рис. 5). Номинальная мощность инвертора, определенная с использованием этого «критерия 99%», обычно несколько больше, чем значение, основанное на аргументе эффективности.

Рисунок 5. Совокупный выходной сигнал массива, полученный путем интегрирования графика G h _I (G) на рисунке 6 главы IIa-2 % критерий. ‘

После того, как соотношение P _I / P ₀ и инвертор были выбраны для фотоэлектрической системы, подключенной к сети, определение размеров части постоянного тока системы, к фотоэлектрическому генератору, можно обратиться.

Количество параллельных цепочек Npg фотоэлектрического генератора может быть рассчитано с учетом максимального входного сигнала, разрешенного инвертором, как показано в уравнении (8). Значение этого максимального тока, Imax, является обычным параметром, предоставляемым производителями инверторов:

(8) Npg≺ImaxImpp

, где Impp представляет собой выходной ток фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощности в условиях STC.

Количество фотоэлектрических модулей в серии, Nsg, по строкам, может быть непосредственно выведено из выбранного соотношения P _I / P ₀ , где номинальная мощность инвертора P _I также известен, как показано в уравнении (9):

(9) Nsg = P0Npg

Произведение количества фотоэлектрических модулей, включенных последовательно, Nsg, на максимальное выходное напряжение фотоэлектрического модуля. точка питания также должна соответствовать уравнению (10), чтобы гарантировать, что инвертор будет работать в пределах окна максимального напряжения отслеживания точки мощности:

(10) VminMPPT≤NsgVmpp≤VmaxMPPT

, где Vmin _MPPT и Vmax _MPPT составляют, соответственно, минимальное и максимальное входные напряжения инвертора для правильного отслеживания точки максимальной мощности фотоэлектрического генератора, а Vmpp — максимальное напряжение мощности фотоэлектрических модулей, образующих фотоэлектрический генератор.

Уравнение (10) необходимо проверить для различных рабочих температур с учетом температурной зависимости фотоэлектрического модуля, указанной производителем.

Аналоговое входное напряжение — обзор

8.3.2 Характеристики АЦП

Аналоговый вход АЦП (напряжение или ток) может изменяться от заданного минимального значения до заданного максимального значения, чтобы обеспечить действительное цифровое выходное представление аналогового входа. Любой аналоговый вход, выходящий за эти пределы (как положительный, так и отрицательный входы), может повредить АЦП, а также привести к насыщению выхода минимальным или максимальным значением цифрового выхода.Обычно выход АЦП представляет собой двоичное значение без знака, хотя (особенно для биполярного режима) цифровой выход также может быть предоставлен в двоичном представлении со знаком (дополнение до 2 с).

Цифровой выход — это дискретный сигнал уровня со значением, которое представляет диапазон уровней аналогового входного сигнала. Таким образом, будет происходить квантование аналогового входного сигнала. АЦП создает ошибку квантования, которая возникает в результате преобразования бесступенчатого аналогового входного сигнала в выходной сигнал дискретного уровня.Эта ошибка квантования будет важна для выбора разрешения АЦП (количества бит). Чем выше разрешение АЦП для данного диапазона входного сигнала, тем меньше ошибка квантования по мере увеличения числа возможных выходных кодов для данного диапазона входного сигнала. Этот эффект иногда называют сопоставлением «многие к одному».

Процесс преобразования можно рассматривать в обобщенном виде, показанном на рисунке 8.22. В этой модели определены две основные операции: операция выборки и операция квантования.

Рисунок 8.22. Обобщенное аналого-цифровое преобразование

Аналоговый входной сигнал дискретизируется с использованием идеального блока дискретизации с частотой дискретизации (частотой дискретизации) f _S Гц. Процесс преобразует непрерывный сигнал времени в сигнал дискретного времени. Затем дискретизированный сигнал подается в блок квантования, который выдает цифровой выходной сигнал x (n), где n указывает номер выборки, а процесс производит шум квантования.

Необходимо учитывать как идеальные, так и реальные характеристики АЦП.Идеальный АЦП определяет работу АЦП, когда все значения установлены на их расчетные (или идеальные) значения. Однако из-за производственных допусков схемы АЦП реальная работа АЦП отклоняется от идеальной. В этом случае максимальное отклонение АЦП определяется в паспорте АЦП и гарантируется производителем. Чтобы понять работу АЦП, обычно начинают с рассмотрения идеального АЦП, а затем определяют, как реальный АЦП может отклоняться от него.

Рассмотрим трехразрядный АЦП (для простоты) с входным напряжением от 0 В до +5.0 В и беззнаковый двоичный выходной код. Это униполярный АЦП, входное напряжение которого находится в диапазоне от 0 В до напряжения полной шкалы (V _FS ). Выходной код находится в диапазоне от 000 ₂ (0 ₁₀ ) до 111 ₂ (7 ₁₀ ). Идеальная передаточная кривая АЦП, соотношение входного напряжения и выходного кода, показана на рисунке 8.23. В этом представлении диапазон преобразования входного сигнала (от минимального значения входного напряжения 0 В до максимального значения входного напряжения V _FS ) делится на 2 ⁿ , где n — разрешение АЦП (количество выходных битов), равное сегментов, а точка, в которой выходной код переходит от одного значения к следующему, попадает в середину каждого сегмента (за исключением конечных точек).Для трехразрядного АЦП диапазон напряжений разделен на восемь равных сегментов. Для восьмиразрядного АЦП диапазон напряжений разделен на 256 равных сегментов. Изменение входного напряжения на 1 младший бит приводит к скачкообразному изменению выходного кода на 1 бит. Для каждого шага изменения входного напряжения на 1 LSB диапазон уровней напряжения определяется следующим образом:

Рисунок 8.23. Кривая передачи АЦП

VLSB = (2-n⋅VFS)

VLSB = (2-3 × 5,0)

VLSB = (0,125 × 5,0) = 0,625 В

Ширина сегмента составляет 1 младший бит.Точка, в которой выходной код изменяется от одного значения к другому, является точкой перехода кода. Когда выходной код 000 ₂ , код меняется на 001 ₂ в середине сегмента, а ширина этого кода составляет ½ LSB. Когда выходной код равен 110 ₂ , код изменяется на 111 ₂ в середине сегмента, а ширина окончательного кода составляет 1½ LSB. Для идеального АЦП угловые точки в точках перехода кода могут быть соединены прямой линией.Неидеальные преобразователи имеют характеристики, отклоняющиеся от этой прямой.

Точка перехода входного напряжения к выходным кодовым значениям показана в таблице 8.9.

Таблица 8.9. Идеальное трехразрядное преобразование входного напряжения АЦП в выходной код (1 младший бит = 0,625 В)

Точка перехода кода	Входное напряжение в точке перехода кода (В)	Код выхода (двоичный)	Код выхода (десятичный эквивалент)
Минимальное входное напряжение	0.0	000	0
1-я точка перехода для кода	0,3125	001	1
2-я точка перехода для 2-го кода	0,9375	010	20 2		1,5625	011	3
4-я точка перехода кода	2,1875	100	4
5-я точка перехода кода	2.8175	101	5
Точка перехода 6-го кода	3,4375	110	6
Точка перехода 7-го кода	4,0625	111				5,0	111	7

По мере увеличения разрешения (количества бит) преобразователя и уменьшения диапазона рабочего напряжения АЦП размер шага LSB (напряжение или ток) будет уменьшаться.Результатом этого является то, что уровни аналоговых сигналов становятся того же порядка значений, что и шум, генерируемый в цепи, а неизбежные изменения производственного процесса оказывают более значительное влияние, что приводит к проблемам с конструкцией и конечным использованием этих преобразователей. Нежелательные эффекты схемы, которые не наблюдаются в преобразователях данных с более низким разрешением, затем проявляются в преобразователях данных с более высоким разрешением.

Характеристики АЦП делятся на три типа параметров — статические (DC) параметры, параметры передаточной кривой или динамические параметры, детали которых указаны в следующих таблицах.

Параметры статической (постоянный ток) и передаточной кривой тесно связаны и рассматриваются здесь вместе в таблице 8.10.

Таблица 8.10. Параметры статической (постоянный ток) и передаточной кривой

Номер параметра	Название параметра	Описание параметра
1	Ошибка усиления постоянного тока	Мера отклонения наклона прямой аппроксимация фактического выхода преобразователя от идеального прямолинейного выхода преобразователя.Наилучшее приближение прямой линии используется для реальной аппроксимации прямой линии преобразователя.
2	Смещение	Отклонение первой точки перехода кода от ожидаемого. Используется идеальный преобразователь или прямолинейное приближение наилучшего соответствия. Обычно это указывается в младших разрядах.
3	Интегральная нелинейность (INL)	Мера отклонения фактической точки перехода кода преобразователя от прямолинейной аппроксимации для каждого кода.Используется наиболее подходящая прямолинейная аппроксимация. Обычно это указывается в младших разрядах.
4	Дифференциальная нелинейность (DNL)	Разница между шириной (диапазоном входного сигнала) между изменениями кода выхода преобразователя и идеальным размером шага в 1 младший бит. Для данного входного кода размер шага вывода берется между текущим входным кодом и предыдущим кодом. Обычно это указывается в младших разрядах.
5	Монотонность	Выходной код должен увеличиваться с увеличением входного сигнала; это монотонный АЦП.Немонотонный АЦП имеет выходной код, который уменьшается (при определенных кодах) по мере увеличения входного сигнала.
6	Отсутствующие коды	Выход преобразователя (цифровой) должен сгенерировать 2 кода n , где n — разрешение преобразователя. Проблемы могут возникнуть в конвертере, если определенные коды не генерируются.

Статические тесты и тесты передаточной кривой не рассматривают динамическую работу АЦП, а также влияние изменений сигнала и частотных эффектов.Динамические параметры, указанные в таблице 8.11, описывают эти эффекты.

Таблица 8.11. Динамические параметры

Номер параметра	Имя параметра	Описание параметра
1	Время преобразования	Должно быть гарантированное максимальное время преобразования (время от начала преобразования до завершения преобразования).
2	Время восстановления	Некоторым АЦП требуется минимальное время после завершения преобразования, прежде чем может начаться следующее преобразование.
3	Частота дискретизации	Тестирование АЦП на максимальной частоте дискретизации и проверка отсутствия ошибок.
4	Джиттер апертуры	Вариации периода дискретизации вызывают ошибку в оцифрованном значении. Джиттер апертуры добавляет шум к оцифрованному сигналу.
5	Sparkling	Результат из условий гонки цифрового времени. Иногда АЦП выдает выходной сигнал с ошибкой смещения, превышающей ожидаемую.

Что такое диапазон входного напряжения и как он определяется?

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Целевые / профилирующие файлы cookie:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Отклонить файлы cookie

Концепции входного напряжения и сравнение защиты — Центр помощи DTS

При работе с электронными системами существует ряд различных концепций напряжения, которые влияют на уровни входной мощности и общую функциональность системы. К ним относятся безопасный диапазон входного напряжения по сравнению с диапазоном входного синфазного напряжения и защита от перенапряжения по сравнению с защитой от электростатического разряда (ESD).В этой статье будет представлена ​​некоторая основная информация об этих концепциях, а также даны некоторые рекомендации относительно систем DTS, например, когда использовать резисторы и / или расширители диапазона напряжений.

Безопасный диапазон входного напряжения

Безопасный диапазон входного напряжения для системы — это диапазон входных напряжений, которые могут быть приложены к системе, который может обеспечить правильное функционирование системы, а также избежать повреждения внутренних компонентов. Каждая электронная система имеет безопасные диапазоны входного напряжения, но эти диапазоны будут варьироваться в зависимости от конструкции каждой отдельной системы.Чтобы определить безопасный диапазон входного напряжения для данной системы, важно внимательно ознакомиться с техническими описаниями системы / руководствами пользователя.

Диапазон входного синфазного напряжения (В _CM )

Также известный как размах входного напряжения, этот термин описывает диапазон входных синфазных напряжений, которые могут использоваться для нормальной линейной работы внутреннего дифференциального инструментального усилителя. Этот диапазон всегда определяется относительно положительного и отрицательного напряжений питания усилителя.Когда этот диапазон напряжения превышен, выходной сигнал усилителя становится нелинейным.

Важно отметить, что положительные и отрицательные значения напряжения питания не могут использоваться полностью при определении диапазона синфазного напряжения для усилителя; могут быть значения напряжения головы / ног, которые требуются для конкретной модели, что дополнительно ограничивает доступные значения диапазона синфазных помех. Поэтому всегда рекомендуется внимательно изучать системную таблицу, чтобы убедиться, что ваши значения находятся в ожидаемых рабочих диапазонах.

Безопасный диапазон входного напряжения по сравнению с диапазоном синфазного напряжения

Диапазон синфазного напряжения всегда должен находиться в пределах безопасного диапазона входного напряжения, однако обычно это подмножество безопасного диапазона входного напряжения. Также важно отметить, что превышение пределов диапазона синфазных напряжений не обязательно означает, что возможно повреждение компонентов; скорее, линейный выход усилителя больше не гарантируется, и выходные данные могут испытывать ограничение.Однако превышение безопасного диапазона входного напряжения для системы всегда сопряжено с риском создания состояния перенапряжения, которое может вызвать повреждение системы.

Защита от перенапряжения и перенапряжения (OVP)

Перенапряжения — это все напряжения, которые даже временно превышают безопасный диапазон входного напряжения данной системы. Эти напряжения, независимо от того, насколько они «близки» к пороговому входному диапазону, могут вызвать повреждение питающей системы, а также любых других систем, подключенных ниже по потоку от той, на которую произошло событие перенапряжения из-за возможности неустойчивое поведение на выходе из исходной системы.

Защита от перенапряжения (OVP) — это конструктивная особенность, которая либо полностью отключает выход источника питания в систему, либо ограничивает выход до заданного уровня в случае, если уровни напряжения превышают заданный предел. Как упоминалось выше, эта функция чрезвычайно важна, поскольку помогает ограничить повреждение всех подключенных систем в результате событий перенапряжения.

Защита от электростатических разрядов и электростатических разрядов

Электростатический разряд (ESD) — это внезапный поток электричества между двумя электрически заряженными объектами, вызванный контактом, коротким замыканием или диэлектрическим пробоем.Хотя электростатический разряд может создавать видимые электрические искры между объектами, важно отметить, что не все события электростатического разряда могут быть увидены / ощутимы / услышаны пользователем, несмотря на то, что они обладают достаточным потенциалом, чтобы вызвать повреждение чувствительных электронных систем. Отсюда важность устройств / схем / методов защиты от электростатического разряда, используемых при производстве современных электронных устройств.

При работе с любой электронной системой рекомендуется максимально ограничить условия окружающей среды, способствующие возникновению электростатических разрядов. Эти методы могут включать использование ESD-безопасных напольных / поверхностных ковриков, ношение заземляющих ремней / антистатической одежды для персонала, использование антистатических пакетов для хранения для хранения, среди прочего.

Большинство электронных систем было разработано с некоторым уровнем встроенных устройств / схем защиты от электростатического разряда, чтобы обеспечить дополнительный уровень защиты. Эти схемы / устройства работают для перенаправления высокого напряжения, создаваемого событием электростатического разряда, от чувствительных внутренних компонентов к заземляющей пластине, которая может рассеивать заряд, не вызывая повреждений. Однако большинство этих схем / устройств ограничены по величине заряда электростатического разряда, который они могут отвести; поэтому при работе с любой электронной системой лучше всего применять методы защиты от электростатического разряда.

Сравнение защиты от перенапряжения и защиты от электростатического разряда

Хотя событие ESD является типом события перенапряжения, не все состояния перенапряжения являются результатом событий ESD. События ESD, как правило, являются кратковременными событиями высокого напряжения, тогда как событие перенапряжения может быть длительным в зависимости от источника. Например, если входной источник питания установлен на порог выше безопасного диапазона входного напряжения для системы без соответствующих настроек OVP, источник питания будет постоянно подавать избыточное напряжение в систему, пока он активен.

Оценка диапазонов напряжения системы DTS и требований к защите

Все системы DTS имеют диоды подавления переходных напряжений, которые действуют как устройства защиты от электростатических разрядов и ограничивают диапазон входного напряжения от -1 В до + 7 В. Эти диоды стремятся ограничить уровни напряжения вне допустимого диапазона. Однако эти диоды не предназначены для использования в качестве постоянных расширителей диапазона напряжений, поскольку на их эффективность могут влиять температура, уровни тока и конструктивные ограничения для их собственных безопасных диапазонов входного напряжения.Вместо этого они предназначены скорее как дополнительный уровень защиты на случай непреднамеренного перенапряжения.

Система	В CM	Безопасное входное напряжение	Максимум В качели	ESD
Микро / Нано / IP68	0.1 — 4,9 В	0 — 5В (МОСТ), 0,5 — 23,5 В (IEPE)	± 2,4 В	8кВ *
SLICE6 / SLICE6 Воздух	0–5 В	0 — 5В (МОСТ), 0,5 — 23,5 В (IEPE)	± 2,5 В	8кВ *
SLICE PRO	-2,5 — 7.5В	-2,5 — 7,5 В (мост), 0,5 — 23,5 В (IEPE)	± 2,45 В	8кВ *

* Модель человеческого тела

Использование расширителей диапазона и внешних резисторов с системами DTS

Иногда в тестовых средах, с которыми мы работаем, требуются входные напряжения, выходящие за пределы безопасного входа системы или даже диапазонов синфазных напряжений. В случае, если тестовое событие требует измерения или использования чрезмерных напряжений, существует несколько методов регулирования этих напряжений до приемлемых уровней при сохранении целостности данных.Двумя из этих методов могут быть использование кабеля / цепи расширителя диапазона напряжений или внешнего линейного резистора, используемого для ограничения потребляемого тока.

Обычно кабель / цепь расширителя диапазона напряжения используется, когда входной сигнал превышает диапазон синфазного напряжения для архитектуры сбора данных системы. Расширитель диапазона действует как делитель напряжения для входного сигнала, снижая уровни напряжения до допустимого диапазона синфазных напряжений для входов усилителя. Более подробную информацию об использовании расширителей диапазона напряжений вы можете найти в этой статье.

Внешний линейный резистор чаще используется, когда состояние перенапряжения относительно близко к безопасному диапазону входного напряжения. Этот резистор помещается между источником напряжения и испытательной системой и используется для ограничения тока, потребляемого между ними. Снижая ток, чрезмерное напряжение имеет меньший шанс вызвать повреждение чувствительной системы. Тем не менее, следует тщательно изучить использование токоограничивающего резистора, прежде чем выбирать этот метод защиты, так как его эффективность ограничивается очень небольшим интервалом перенапряжения, превышающим безопасные диапазоны входного напряжения.Ток в условиях перенапряжения должен быть ограничен до не более 10 мА, как правило.

Максимальное входное напряжение усилителя мощности звука

Истинные сигналы линейного уровня могут ограничивать входной каскад усилителя мощности

Audio — это зрелая технология, которая старше многих других. Его корни уходят в телеграф. Это наводит на мысль, что к настоящему времени эта область будет в высшей степени стандартизована и по существу будет работать по принципу plug-and-play. К сожалению, это не всегда так.Вот пример.

Аудио линейного уровня

Спросите у большинства звукооператоров определение «линейного уровня» звука, и они скажут «+4 дБн», что составляет 1,23 В среднеквадратического значения. Это оправданный ответ, и именно поэтому многие микшеры и DSP используют это (или близкое значение) в качестве своего «номинального» входного и / или выходного уровня. По этой же причине большинство профессиональных усилителей мощности используют 1,2 В среднеквадратического значения (или близкое значение) в качестве входной чувствительности, поскольку это доводит усилитель до полного выходного напряжения.Подайте на него более высокое напряжение и зажимы усилителя.

Пики сигнала

К сожалению, в этом предположении есть расхождение в 20 дБ. Аудиосигнал +4 дБу от микшера и DSP имеет пики сигнала, превышающие номинальный уровень на 20 дБ или более. Вот почему микшер и другие профессиональные компоненты линейного уровня имеют максимальные выходные уровни на уровне +24 дБн или около него, если учитывать пики сигнала.

В типичной звуковой системе микшер работает при +4 дБн, с 20 дБ «пикового помещения», что составляет максимальный выходной уровень +24 дБн.Большинство DSP могут обрабатывать этот уровень без клиппирования. По умолчанию используется «единичное усиление», что означает, что выходной уровень совпадает с входным. Проблема обнаруживается, когда мы подходим к усилителю мощности. Если его входная чувствительность составляет +4 дБн, то уровень сигнала от микшера (или DSP) на 20 дБ выше, чем тот, который требуется для вывода усилителя на полное выходное напряжение. «Нет проблем», — скажете вы, потому что чувствительность входа усилителя можно уменьшить, уменьшив входной аттенюатор на 20 дБ — это «стандартная» практика структуры усиления.Теперь на входе +24 дБу (уровень пиков сигнала) усилитель достигнет ограничения, и все в порядке. Или не.

Большинство считает, что уменьшение чувствительности усилителя на 20 дБ позволяет усилителю обрабатывать входное напряжение на 20 дБ больше. Вот как это должно работать, и раньше это было обычной практикой. Это уже не обязательно так, и это может привести к серьезным проблемам со структурой усиления в современных системах. Все большее количество усилителей мощности имеют входные каскады с ограничением на уровне +4 дБн или близком к нему, независимо от настройки управления чувствительностью.Таким образом, даже если вы выключите его, чтобы избежать клиппирования выходного каскада, входной каскад будет перегружен истинным сигналом линейного уровня, пики которого приближаются к +24 дБн.

Средства правовой защиты

Есть несколько возможных решений. Я начну с лучшего решения и продолжу работу.

• Я благодарю Bose за разработку усилителей с переключаемыми значениями входной чувствительности 0, 4, 12 и 24 дБн с максимальным входным напряжением +24 дБн. Серия PM — один из немногих усилителей мощности, которые я тестировал, чья входная схема может обрабатывать полностью профессиональный сигнал линейного уровня.

Рис. 4. Управляющее программное обеспечение для серии Bose PM обеспечивает выбираемую пользователем чувствительность входа.

Рис. 5. Контроллеры серии QSC PL имеют фиксированные регуляторы входной чувствительности. При понижении усилитель может выдерживать более высокие управляющие напряжения.

• Пассивные аттенюаторы могут уменьшить как сигнал, так и шум на выходе смесителя или DSP, и позволяют усилителю работать с максимальной настройкой чувствительности.Это хороший вариант с точки зрения структуры усиления, но пассивные аттенюаторы — это громоздкое решение для больших систем, и они могут ухудшить подавление синфазного сигнала усилителя. Тем не менее, я считаю их весьма полезными для небольших систем и для активных громкоговорителей.

Рисунок 6. Пассивный аттенюатор может использоваться для снижения уровня возбуждения усилителя мощности.

• Так как DSP имеют регулируемые уровни выходного сигнала, там можно набрать необходимое понижение уровня.Это стало обычной практикой и, возможно, лучшим компромиссом. Обратной стороной является то, что минимальный уровень шума DSP обычно не уменьшается с помощью регулятора выходного уровня, поэтому вы снижаете отношение сигнал / шум (SNR), уменьшая уровень выходного сигнала. В тот день, когда все очарованы высоким динамическим диапазоном, мне кажется странным такое снижение производительности системы. Компромисс может быть незаметен во многих системах, поскольку минимальный уровень шума сигнала значительно выше минимального уровня шума DSP.В этом случае выходной уровень DSP может быть уменьшен без ущерба для отношения сигнал / шум готовой системы. Фактически, меньшее, чем идеальное соотношение сигнал / шум на входе системы маскирует проблему, которая возникает позже в сигнальной цепи. Но это остается проблемой для систем в тихих помещениях, таких как залы с мягкой мебелью, студии и домашние кинотеатры.

Рис. 7. Призма Symetrix имеет точно регулируемые уровни выходного сигнала, что позволяет снизить выходное напряжение, чтобы избежать ограничения входного сигнала усилителя мощности.Обратите внимание, что уменьшение уровня выходного сигнала также может снизить отношение сигнал / шум.

• Довольно часто встречаются напряжения ограничения входного каскада усилителя мощности в 4 В среднеквадратического значения (+14 дБн). Таким образом, если входная чувствительность составляет +4 дБн, регулятор чувствительности можно установить на -10 дБ отн. максимальная чувствительность для фиксации усилителя при +14 дБу. Это шаг в правильном направлении, но он все равно будет перегружен на 10 дБ управляющим сигналом +24 дБн. Кроме того, существует проблема, заключающаяся в том, что многие современные усилители имеют регуляторы чувствительности «подстроечного регулятора», поэтому нет визуального ориентира для установки его на -10 дБ.Его можно установить с помощью вольтметра или осциллографа, но это будет только приблизительное значение. А если у вас целая стойка этих усилителей? Во многих современных системах единственное практическое решение — довести до максимума регуляторы чувствительности усилителя.

Рисунок 8 — Подстроечные потенциометры могут управлять усилением усилителя мощности, но все же возможно перегрузить входную цепь. Достижение одинаковых настроек подстройки для нескольких усилителей утомительно.

• Некоторые звуковые системы не имеют DSP между микшером и усилителями.В цифровом микшере все чаще используется домашний эквалайзер. Я только что тренировался в большом тематическом парке, где это их стандартная практика. Теперь нам нужно уменьшить обороты микшера, чтобы избежать ограничения входов усилителя. Да, это «работает», но компромисс SNR теперь в смесителе. Кроме того, мы теряем рабочий диапазон выходных фейдеров и индикаторов микшера, и аудитория слышит минимальный уровень шума системы.

Рисунок 9 — Мастер-фейдеры этого микшера Digico должны быть уменьшены во избежание перегрузки усилителей мощности.Обратите внимание, что выходной уровень должен быть ниже -20 дБ полной шкалы.

И вот мы подошли к «главному» решению проблемы. Запустите DSP на «единицу», доведите до максимума усилители и установите уровень звукового давления дома с помощью выходного фейдера микшера. Да, мы получаем звук, но это приносит в жертву SNR как в микшере, так и в DSP, и применяет максимальное усиление усилителя к скомпрометированному сигналу.

Заключение

Кто-то подумает, что я занудно указываю на эту проблему, а некоторые даже не видят в этом проблемы.Мы настолько привыкли к неоптимальной структуре усиления в звуковых системах, что не только живем с этим, но и ожидаем этого. Хорошо. Всем по-прежнему платят. Но любого, кто обращает внимание, должна беспокоить такая проблема, которая существует в современной технической системе. У нас есть аудиокомпоненты, которые предназначены для формирования системы с несовместимыми уровнями сигналов — микшеры, которые выводят +24 дБн (или выше), и усилители, которые не справляются с этим. Исправление — это обширный список обходных путей, необходимых для создания работающей звуковой системы.

Неудивительно, что ИТ-специалисты находят звук непонятным. пб

.