Импульсные преобразователи напряжения схемы. Импульсные преобразователи напряжения: принципы работы, виды и применение

Что такое импульсные преобразователи напряжения. Как работают основные схемы импульсных преобразователей. Какие виды импульсных преобразователей существуют. Где применяются импульсные преобразователи напряжения.

Принцип работы импульсных преобразователей напряжения

Импульсные преобразователи напряжения — это устройства, преобразующие постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня с помощью высокочастотной коммутации силовых ключей. Основной принцип их работы заключается в следующем:

1. Входное постоянное напряжение преобразуется в импульсное с помощью силовых ключей (обычно транзисторов).
2. Полученное импульсное напряжение трансформируется с помощью индуктивно-емкостных цепей.
3. Выходное импульсное напряжение выпрямляется и сглаживается.

За счет высокой частоты преобразования (десятки-сотни кГц) удается значительно уменьшить габариты и вес трансформаторов и фильтров по сравнению с низкочастотными преобразователями.

Основные виды импульсных преобразователей напряжения

Существует несколько основных видов импульсных преобразователей напряжения:

• Понижающие — выходное напряжение ниже входного
• Повышающие — выходное напряжение выше входного
• Инвертирующие — изменяют полярность напряжения
• Преобразователи с гальванической развязкой входа и выхода

Выбор конкретного вида преобразователя зависит от требований к выходному напряжению и мощности.

Схемы импульсных преобразователей напряжения

Рассмотрим принцип работы нескольких базовых схем импульсных преобразователей:

Понижающий преобразователь

Принцип работы понижающего преобразователя:

1. При открытом ключе энергия накапливается в индуктивности.
2. При закрытом ключе энергия индуктивности отдается в нагрузку.
3. Выходное напряжение регулируется коэффициентом заполнения импульсов управления ключом.

Повышающий преобразователь

Принцип работы повышающего преобразователя:

1. При открытом ключе ток в индуктивности нарастает, накапливая энергию.
2. При закрытии ключа ЭДС самоиндукции добавляется к входному напряжению.
3. Выходное напряжение всегда выше входного.

Инвертирующий преобразователь

Принцип работы инвертирующего преобразователя:

1. При открытом ключе ток в индуктивности нарастает.
2. При закрытии ключа энергия индуктивности передается в нагрузку.
3. Полярность выходного напряжения противоположна входному.

Преимущества импульсных преобразователей напряжения

Основные преимущества импульсных преобразователей напряжения по сравнению с линейными стабилизаторами:

• Высокий КПД (до 95% и выше)
• Малые габариты и вес
• Возможность получения выходного напряжения выше входного
• Гальваническая развязка входа и выхода (в схемах с трансформатором)

Эти преимущества обусловили широкое применение импульсных преобразователей в современной электронной аппаратуре.

Применение импульсных преобразователей напряжения

Импульсные преобразователи напряжения нашли широкое применение в различных областях:

• Источники питания электронной аппаратуры
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Преобразователи для солнечных батарей
• Системы электропитания транспортных средств
• Драйверы светодиодов
• Высоковольтные источники питания

Практически любое современное электронное устройство содержит в своем составе один или несколько импульсных преобразователей напряжения.

Как выбрать импульсный преобразователь напряжения?

При выборе импульсного преобразователя напряжения следует учитывать следующие основные параметры:

• Диапазон входных напряжений
• Требуемое выходное напряжение
• Максимальный выходной ток
• КПД преобразователя
• Уровень пульсаций выходного напряжения
• Диапазон рабочих температур
• Габаритные размеры

Также важно учитывать наличие дополнительных функций, таких как защита от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и т.д.

Заключение

Импульсные преобразователи напряжения являются ключевым элементом современных систем электропитания. Их высокая эффективность, компактность и гибкость позволяют создавать источники питания с оптимальными характеристиками для широкого спектра применений. Постоянное совершенствование элементной базы и схемотехники импульсных преобразователей открывает новые возможности для повышения их эффективности и расширения областей применения.

Схемы импульсных преобразователей — Преобразовательная техника (Инженерия)

Схемы импульсных преобразователей

Классификация схем. Существует множество схем импульсных пре­образователей постоянного тока. Это многообразие, главным обра­зом, связано с использованием различных схемных способов прину­дительного конденсаторного выключения однооперационных тирис­торов, составляющих основу полупроводникового ключа.

Схемы классифицируются по следующим признакам: способу за­пирания тиристоров (обратным напряжением, обратным током), виду коммутации (одноступенчатая, двухступенчатая), схеме включения коммутирующей ЭДС (параллельная, последовательная), структуре цепей заряда и разряда коммутирующего конденсатора (зависимая, независимая).

Схемы с одноступенчатой коммутацией. В простейших схемах с одноступенчатой коммутацией для запирания тиристоров использу­ются постоянно включенные колебательные цепи (рис. 8.8).

При включении тиристора VT в L_кC_к-контуре возникает колеба­тельный процесс. Через некоторое время ток в тиристоре «вытесняет­ся» встречным током колебательного контура и становится равным нулю. Тиристор запирается обратным напряжением от коммутирующего конденсатора. Для изменения среднего значения напряжения на нагрузке в этих схемах может быть применен лишь частотно-импульсный способ, что заметно ограничивает регулировочные свойства и  энергетические показатели преобразователя. Поэтому в подавляющем большинстве случаев в современных тиристорных импульсных преобразователях используются схемы с двухступенчатой коммутацией.

Схемы с двухступенчатой коммутацией (рис. 8.9). В таких схемах коммутирующие цепи присоединяются к цепи силового (главного тиристора с помощью вспомогательных (коммутирующих) тиристоров в определенные моменты времени, и ток главного тиристора на короткий интервал времени проходит через коммутирующий тирис­тор. При этом запирание главного тиристора может осуществляться обратным напряжением (жесткая коммутация) или импульсом обрат­ного тока (мягкая коммутация).

Рис. 8.9. Базовые схемы тиристорных импульсных преобразователей с коммутацией импульсом обратного тока (а, в, д) и приложением обратного напряжения (б, г, е).

Многоквадрантный режим импульсного преобразователя. Рассмот­ренные выше схемы включения ИР соответствуют только одноква­дрантному режиму преобразования энергии, так как полярность напряжения и₂ и направление тока i₂ цепи нагрузки для каждой из схем неизменны.

Рассмотрим возможность реализации в схемах с ИР многоква­дрантных режимов преобразования энергии в цепях постоянного тока (рис. 8.12).

  В схемах (рис. 8.12, а,б) показаны направления потоков энергии Р. Возможные области режимов работы в координатах U₂, I₂ показа­ны заштрихованными областями для соответствующего квадранта. Эти схемы можно включить совместно в такой комбинации, которая обеспечивает многоквадрантный режим работы.

На рис. 8.12, в и г приведены схемы для двухквадрантного режима работы. Схема (см. рис. 8.12, в) предусматривает изменение направле­ния тока I₂, а схема (рис. 8.12, г) — напряжения U₂. В обоих случаях достигается изменение направления потока Р. В схеме с изменением направления тока I₂ предусматривается специальный коммутирую­щий дроссель Lк с выведенной средней точкой для разделения выклю­чаемого тиристора от встречно включенного диода. Этот дроссель снижает ответвление коммутирующего тока в цепь данного диода.

Схема (рис. 8.12, д) позволяет реализовать четырехквадрантный режим импульсного преобразователя. Поскольку напряжение U₂ как и ток I₂ на стороне нагрузки могут изменять направление на обрат­ное, достигается работа преобразователя во всем пространстве состояний. Эта схема представляет собой преобразователь постоянно-переменного тока, т.е. мостовую схему однофазного инвертора, обеспечи­вающую передачу энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока и обратную передачу энергии.

9. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

 9.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Автономные инверторы — это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток. Коммутация тока в них осуществляется независимо от процессов во внешних элект­рических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно по­лучать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регули­ровать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно применение автономных инверторов в тяговых электроприводах электрово­зов, электропоездов, тепловозов.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автономные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими осо­бенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из которых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления   его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надеж­ной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных про­блем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса.

К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы и запираемые тиристоры).

 Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например, в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере простейшей однофазной схемы с использованием указанных выше

средств коммутации (рис. 91).

Принцип работы инвертора на полностью управляемых приборах.

Силовые транзисторы используются как ключи, получая сигналы управления СУ по цепи базы от отдельной схемы управления СУ, построенной на основе генератора прямоугольных импульсов. Сигналы управления, поступающие на транзисторы VT1 и VT2, не совпадают по времени, что устраняет появление сквозного тока источника питания Е. Предполагается, что один транзистор открывается в тот момент, когда другой закрывается. В схеме не требуется дополнительных ком­мутирующих устройств, так как транзисторы обладают свойством полной управляемости, и для включения и выключения достаточно управлять током их базовых цепей.

Рис 9. 1. Схемы и временные диаграммы работы однофазного автономного инвертора  на транзисторах при работе на активную нагрузку (без обратных диодов) (с) и  на  активно-индуктивную нагрузку (с обратными диодами) (б)

Сигналы управления подаются на VT1, VT2 с периодом следования Т. При активной нагрузке (см. рис. 9.1, а) поочередное включение транзисторов обуславливает приложение ЭДС источника Е к первичной обмотке трансформатора Т, выполненного с выведенной средней (нулевой) точкой 0.  По первичным полуобмоткам протекают токи i₁₁, i₁₂. На вторичной обмотке возникает напряжение и₂ прямоугольной формы. Ток i₂ при активной нагрузке R повторяет форму кривой и₂ и переходит через нулевое значение одновременно с моментом переключения транзисторов. При работе транзисторов в нулевой схеме в течение непроводящей части периода к ним прикладывается в прямом направлении напряжение 2Е.

В реальных схемах нагрузка носит, как правило, активно-индуктивный характер (см. рис. 9.1, б). Во время переключения транзисторов в такой схеме возникают условия, которые могут привести к большим перенапряжениям, поскольку ток в цепи с индуктивным элементом не может мгновенно изменить направление. Следовательно, для предупреждения перенапряжения в схеме должна быть пред­усмотрена ветвь тока нагрузки на интервалах t₀ — t₁, t₂ —t₃  после переключения транзистора.

Для пропуска тока могут быть включены разнообразные устройства, например резисторы, конденсаторы или дополнительные цепи с полупроводниковыми приборами. Наиболее экономичное решение было предложено выполнять по схеме с обратными диодами VD1, VD2, включенными встречно-параллельно основным (главным) транзисторам VT1, VT2 [4]. Для этого случая на рис. 9.1, б показаны формы напряжений и токов в схеме инвертора. В схеме с обратным диодами после переключения транзистора контур индуктивного тока нагрузки проходит через диод, включенный встречно ЭДС источника Е. Входной ток id инвертора на интервалах переключения тока (спадания тока нагрузки до нуля) протекает в обратном направлении, обеспечивая возврат в источник питания энергии, накопленной в дросселе L. Среднее значение тока Id источника определяется потреблением энергии активным сопротивлением R цепи нагрузки. При идеальной индуктивной нагрузке теоретически возможно Id = 0.

Принцип работы инвертора на однооперационных тиристорах. Рас­смотрим схему инвертора, в которой требуются дополнительные эле­менты для осуществления коммутации. Схема однофазного инвертора на однооперационных тиристорах VT1, VT2 (рис. 9.2) называется параллельным инвертором [4] и строится по принципу коммутации тока с использованием конденсатора С, включенного параллельно цепи нагрузки.

Широко известная схема однофазного параллельного инвертора отличается от схемы (см. рис. 9.1) наличием дросселя в цепи постоянного тока с индуктивностью Ld и коммутирующего конденсатора емкостью С. В этой схеме принудительное выключение однооперационных тиристоров VTI, VT2 осуществляется предварительно заряжен­ным коммутирующим конденсатором. Коммутация тиристора VT1 начинается с момента (t₂, t₆), когда отпирается второй тиристор VT2, и конденсатор С, заряженный так, что верхняя обкладка положитель­на, обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VT1.

Интервалы времени (t₂ — t₃, t₆ — t₇ для  VT1; t₀ — t₁,t₄ —t₅ для VT2) должны быть не менее времени выключения тиристора. Для

выполнения этого условия необходимо включить конденсатор такой емкости С, чтобы отводить  ток нагрузки от тиристора на интервале времени выключения.

Дроссель L цепи постоянного тока такого инвертора обычно имеет достаточно большую индуктивность, чтобы исключить или су­щественно уменьшить пульсации подводимого постоянного тока i_d. При этом ток i_dпереключения с одного тиристора на другой равнозначен току прямоугольной формы через тиристоры VT1 и VT2. Ток i₂ цепи RL-нагрузки имеет плавное изменение, и разность токов ти­ристора (источника) и нагрузки компенсируется током конденсатора i_c. Их алгебраическая сумма на каждом временном интервале равна нулю. Конденсатор заряжается на интервале, когда ток тиристора превышает ток нагрузки (приведенный к числу витков первичной обмотай трансформатора), и разряжается, если ток нагрузки превышает ток источника. В  результате конденсатор перезаряжается дваж­ды за один период Т.  Напряжение конденсатора и_с накладывается на ЭДС источника Е,  и на выходе инвертора напряжение и_и содержит постоянную составляющую Е и переменную составляющую, опреде­ляемую напряжением на  конденсаторе и_{с(см. рис. 9.2). Напряжение на входе ии имеет значительые пульсации, возрастающие с уменьшени­ем емкости С при неизменных параметрах  RL-нагрузки.}

Расчет параллельного инвертора довольно сложен. Основные принципы которые позволяют выполнить расчет, сводятся к следую­щему:

мощность получаемая от  источника постоянного тока, должна

быть равна мощности, отдаваемой нагрузке: EI_d = U₂²/R, где U₂—

Рекомендуем посмотреть лекцию «1 Предмет, метод, структура юридической деонтологии как науки и учебной дисциплины».

эффективное значение    напряжения нагрузки;

так как кривые напряжений и токов несинусоидальны и со­держат ряд гармонических составляющих, то реактивные мощности основной и каждой высшей гармонической составляющей тока источника питания должны быть  равны соответствующим состав­ляющим реактивной  мощности всей цепи переменного тока на выходе;

в установившемся режиме среднее за интервал проводящего состояния каждого тиристора напряжение на полуобмотке первичной  обмотки трансформатора должно быть равно напряжению источника питания Е.

Принцип работы инверторов на однооперационных тиристорах с последовательным конденсатором в нагрузке. Последовательная RC­-цепь нагрузки образует резонансный контур, обеспечивающий ком­мутацию. Такие инверторы получили название последовательных (рис. 9.3) [4].

Когда тиристор VT1 открыт, а тиристор VT2 закрыт, после­довательная резонансная цепь подсоединена к источнику постоян­ного тока. За время первого полупериода резонансного колебания (t₀ —t₂ ) напряжение на конденсаторе и_c возрастает до значения, близкого 2Е. Затем ток i_{dуменьшается ниже тока удержания тиристора и прекращается. Второй тиристор VT2 можно включить, спустя интервал (t2 — t3) длительностью не менее времени вы­ключения тиристора. Когда тиристор VT2 включается, происходит такой же колебательный процесс перезаряда конденсатора через цепь нагрузки. При этом источник питания не участвует в работе. Конденсатор перезаряжается током исходной полярности. Далее с интервалом (t5 — t6) открывается тиристор VT1, и процессы в схеме повторяются. Если интервалы t2 — t3 и t5— t6 поддерживать минимальными, то ток i в цепи нагрузки близок к синусоидальной форме. Для устойчивой коммутации тиристоров эти временные интервалы должны быть достаточными для гарантированного выключения тиристоров.}

Схема стабилизированного преобразователя напряжения с ШИМ

Главная >> Импульсные преобразователи напряжения >> Схема стабилизированного преобразователя напряжения с ШИМ

   Журнал Радио №11, 1981 г. стр. 61 За Рубежом

   Преобразователь напряжения , схема которого приведена на рисунке, предназначен для питания носимой радиоаппаратуры, потребляющей мощность не более 10 Вт. Он отличается высоким КПД, стабильным выходным напряжением, некритичен к степени разрядки батареи питания. Выходное напряжение при изменении входного от 6 до 30 В можно установить любым пределах от ± 10 до ±20 В. При этом нестабильность выходного напряжения не превышает 1 %, а пульсаций (на нагрузке 2 кОм) — 10 мВ. Выходное сопротивление устройства — около 0,05 Ом.

   По принципу действия — это ключевой преобразователь со стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией. Задающий генератор выполнен на инверторах D1. 1, D1.2 по схеме симметричного мультивибратора. Частота генерируемых колебаний — около 50 кГц. Через — диод V1 они поступают на ждущий мультивибратор, собранный на инверторах 01.3, DI.4. Как видно из схемы, в его частотозадающую цепь, кроме резистора R5 и конденсатора С3, входит сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора V3, цепь смещения которого (резисторы R3, R4) питается положительным напряжением, снимаемым с выхода устройства. Благодаря этому длительность генерируемых мультивибратором импульсов оказывается обратно пропорциональной выходному напряжению (при его уменьшении длительность импульсов увеличивается и наоборот). Триггер D1.5, D1.6 улучшает форму импульсов.

   Импульсное напряжение, снимаемое с выхода триrrepa, усиливается по мощности транзисторами V6, V7 и повышается трансформатором ТJ до требуемого значения. Выпрямленное диодами V8 — V /1 напряжение поступает в нагрузку через фильтр, состоящий из электролитических конденсаторов С6 , С7 и шунтирующих их керамических конденсаторов С8, С9 (они улучшают фильтрацию высокочастотных составляющих выпрямленного напряжения).

   Выходное напряжение преобразователя устанавливают подстроечным резистором R4. Напряжение питания транзистора V6 и микросхемы D1поддерживается неизменным с помощью стабилизатора, выполненного на транзисторе V5 и стабилитроне V4.

   Трансформатор Т1 выполнен в ферритовом броневом магнитопроводе внешним диаметром 30 и высотой 18 мм. Обмотка 1 содержит 17 витков провода ПЭЛ 1,0, обмотка II — 2 х 40 витков провода ПЭЛ 0,23.

   При необходимости (если потребляемая от преобразователя мощность близка к предельной) транзистор V7 устанавливают на теплоотводе с охлаждающей поверхностью 50 … 60 см2.

   » Радио, телевизия, електроника» (НРБ), 1981, № 2

   Примечание редакции. В преобразователе напряжения можно использовать транзисторы КТ373А (V3), KT801A, КТ801Б (V5, V6), диоды КД503А ( V1, V2), Д226Д (V8-V11) и микросхему K155Лh2. Для изготовления импульсного трансформатора подойдет ферритовый броневой магнитопровод типоразмера М700НМ-11-Б30-АL-6З0.

Схемы преобразователя частоты в напряжение Пояснение

Схемы преобразователя частоты в напряжение можно найти во многих различных электронных устройствах. Они используются для преобразования частоты сигнала переменного тока в соответствующее напряжение. Это может быть полезно для многих различных приложений, таких как питание двигателей или светодиодов. В этой статье мы обсудим основы преобразования частоты в напряжение и дадим несколько советов о том, как разработать собственные схемы преобразователя!

Общее определение преобразователей частоты в напряжение

Итак, начнем с главного вопроса, что такое схема преобразователя частоты в напряжение? Проще говоря, это устройство, которое принимает входной сигнал (в форме частоты) и преобразует его в пропорциональное выходное напряжение. Входной сигнал может быть переменного или постоянного тока. Эти устройства также известны как FM-преобразователи или преобразователи f-to-v. Затем это выходное напряжение можно использовать для управления различными устройствами или процессами.

Преобразователи частоты в напряжение используются в различных отраслях, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность и производство. Они обычно используются в таких устройствах, как спидометры и тахометры, где они преобразуют скорость вращения вала двигателя в электрический сигнал, который может отображаться на счетчике. Одним из наиболее распространенных применений является автомобильная промышленность, где они используются для управления частотой вращения двигателя. Они также широко используются в аудиосистемах для управления уровнем громкости. Другие области применения включают анализ вибрации и оборудование для испытаний материалов.

Существуют различные типы преобразователей частоты в напряжение. Они основаны на количестве каналов, линейности и типе входного сигнала. Наиболее распространенными типами являются несимметричные и дифференциальные преобразователи.

Дифференциальный преобразователь: Имеют два входа (положительный и отрицательный) и один выход. Преимущество этого типа в том, что он относительно невосприимчив к шуму.

Несимметричный преобразователь: Имеют только один вход и один выход. Они более восприимчивы к шуму, но их легче проектировать и строить.

Линейность: Относится к тому, насколько точно выходное напряжение представляет входную частоту. Если зависимость линейная, то удвоение входной частоты приведет к удвоению выходного напряжения. Если оно нелинейное, то отношение непропорциональное.

Какой тип схемы FVC лучше всего подходит для вашего конкретного приложения, зависит от ваших конкретных потребностей. Если точность имеет первостепенное значение, то, вероятно, вам лучше всего подойдет линейный преобразователь. Однако, если вам нужно иметь возможность обрабатывать широкий диапазон входных частот, то нелинейный преобразователь может быть лучшим выбором. [1], [2]

Назначение схем преобразователя частоты в напряжение

Как мы только что упоминали, схемы преобразователя частоты в напряжение имеют широкий спектр применений в промышленности, где необходимо преобразовывать сигнал переменной частоты в пропорциональное напряжение.

Эти устройства обычно используются в спидометрах, где они преобразуют скорость вращения вала двигателя в электрический сигнал, который может отображаться на счетчике. Преобразовывая частоту в напряжение, становится легче контролировать скорость двигателя. Это связано с тем, что напряжение может изменяться для изменения скорости вращения двигателя.

Другие распространенные области применения схем преобразователя частоты в напряжение включают в себя различные инструменты для анализа вибрации и оборудование для испытаний материалов. FVC также можно использовать для сбора данных. Учитывая их широкий спектр применения, неудивительно, что они так популярны.

Использование FVC в системах безопасности

Другое применение FVC — в системах безопасности. Контролируя частоту звуков, эти схемы преобразователя можно использовать для обнаружения злоумышленников или взломов. Например, если происходит внезапное увеличение частоты, это может указывать на то, что кто-то пытается проникнуть в здание.

Использование FVC при обработке звука

Их также можно использовать при обработке звука. Системы обработки звука используют схемы преобразователя частоты в напряжение для преобразования аудиосигналов в пропорциональные выходные напряжения. В системах формирования сигналов используются схемы преобразователя частоты в напряжение для преобразования сигналов перед их отправкой в ​​системы сбора данных. Системы сбора данных используют схемы преобразователя частоты в напряжение для преобразования входных сигналов в цифровые значения, которые могут быть обработаны компьютером.

Использование FVC в тахометрах

Тахометры — это устройства, измеряющие скорость вращения объекта. Они обычно используются в двигателях, где они используются для измерения скорости двигателя. Схемы преобразователя частоты в напряжение используются в тахометрах для преобразования скорости вращения вала двигателя в электрический сигнал, который может отображаться на счетчике.

Входной сигнал от тахометра обычно представляет собой прямоугольную волну или сигнал импульсов на оборот (PPR). Выходное напряжение преобразователя частоты в напряжение пропорционально частоте входного сигнала.

Схемы преобразователя частоты в напряжение также используются в счетчиках других типов, таких как счетчики воды и газа. В этих приложениях входным сигналом обычно является магниторезистивный датчик или геркон. Выходное напряжение преобразователя частоты в напряжение пропорционально частоте входного сигнала. [2], [3], [4]

Какие преобразователи частоты в напряжение могут получать в качестве входного сигнала

Преобразователи частоты в напряжение могут принимать различные формы входного сигнала. Наиболее распространенным типом входного сигнала является синусоидальная волна, но возможны и другие формы волны. Форма входного сигнала будет влиять на выходное напряжение, поэтому важно понимать, с какими формами сигналов может работать ваш конкретный преобразователь. В общем, однако, вы будете смотреть либо на сигналы переменного, либо на постоянный ток.

Сигналы переменного тока — это сигналы, которые чередуют положительное и отрицательное напряжение; другими словами, они не бывают постоянно положительными или постоянно отрицательными. Это вид сигнала, который исходит из вашей настенной розетки дома. С другой стороны, сигналы постоянного тока постоянны; они всегда либо положительные, либо отрицательные (но никогда оба).

Помимо этих двух типов сигналов, вы также можете увидеть ссылки на импульсные сигналы. Это сигналы, которые меняются быстро, но не постоянно. Они могут быть периодическими (что означает, что они происходят через равные промежутки времени) или апериодическими (что означает, что они не происходят через равные промежутки времени).

Помимо импульсов, FVC может получать сигналы от других устройств, таких как микроконтроллеры или датчики. Эти сигналы могут быть цифровыми или аналоговыми. Если вы не уверены, какой тип сигнала может принимать ваш FVC, проверьте техническое описание или поговорите с производителем.

Некоторые устройства поставляются со специальными фильтрами, помогающими игнорировать шум во входном сигнале. Это может быть важно, если вы работаете с очень чувствительным устройством или пытаетесь измерить очень небольшое изменение напряжения. [2], [5], [6]

Основные компоненты схемы преобразователя частоты в напряжение

Основными компонентами схемы преобразователя частоты в напряжение являются усилитель и резисторно-конденсаторная цепь.

Усилитель

Усилитель является первой ступенью схемы преобразователя частоты в напряжение и предназначен для усиления входного сигнала. Затем усиленный сигнал отправляется в резисторно-конденсаторную сеть.

Усилитель, используемый в схеме преобразователя частоты в напряжение, должен иметь высокий коэффициент усиления и низкое входное сопротивление. Наиболее распространенным типом усилителя, используемого в этих схемах, является операционный усилитель или операционный усилитель.

Операционные усилители идеально подходят для использования в схемах преобразователей частоты в напряжение, поскольку они имеют очень высокий коэффициент усиления и могут быть легко сконфигурированы как для несимметричных, так и для дифференциальных входов.

Резистивно-емкостные цепи

Резисторно-емкостная цепь, или RC-цепь, предназначена для фильтрации любых нежелательных высокочастотных компонентов из усиленного сигнала, что является ключом к получению точных результатов.

Резистивно-емкостная цепь состоит из двух резисторов и одного конденсатора, соединенных последовательно. Емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы он блокировал высокочастотные сигналы, но пропускал низкочастотные.

Наиболее распространенным типом конденсатора, используемого в RC-цепи, является керамический конденсатор. Керамические конденсаторы идеально подходят для использования в схемах преобразователя частоты в напряжение, поскольку они имеют очень низкий импеданс на высоких частотах.

Все эти компоненты хранятся в виде функциональных блоков в микросхеме FVC. [6], [7]

Как работает схема преобразователя частоты в напряжение

Теперь, когда мы знаем основы схем преобразователя частоты в напряжение, давайте более подробно рассмотрим, как работают эти устройства.

Когда переменный ток протекает через проводник, он создает магнитное поле вокруг проводника. Это магнитное поле будет индуцировать электродвижущую силу в любых близлежащих проводниках. Величина этого индуцированного напряжения пропорциональна скорости изменения магнитного потока, которая, в свою очередь, пропорциональна частоте входного сигнала.

Таким образом, подбирая номиналы индуктивности и конденсатора в цепи, мы можем получить желаемое выходное напряжение, пропорциональное входной частоте. [2]

Примеры схем преобразователя частоты в напряжение

Теперь, когда мы знаем основы работы схемы преобразователя частоты в напряжение, давайте рассмотрим некоторые примеры этих устройств.

Что такое холодная пайка?

IC LM2917

LM2917 представляет собой преобразователь частоты в напряжение, который широко используется во многих приложениях. Этот чип имеет максимальное напряжение питания 28 В и максимальный диапазон входного напряжения 28 В .

LM2917 имеет встроенный входной штифт тахометра, который можно использовать для измерения скорости вращающегося вала и который совместим с большинством магнитных датчиков.

Кроме того, микросхема может удваивать малые пульсации напряжения и имеет низкий выходной импеданс.

Это делает LM2917 идеальным для использования в управлении скоростью двигателя, системах управления двигателем, мониторинге скорости вращения турбины и т.д.

Применение LM2917 включает:

• Управление двигателем
• Робототехника
• Преобразователь частоты [1], [9]

IC LM555

Другой популярной микросхемой преобразователя частоты в напряжение является LM555. Этот чип представляет собой точный таймер, который можно использовать для создания точных временных задержек и колебаний. Его также можно использовать как нестабильный или моностабильный мультивибратор.

Микросхема LM555 имеет 8 контактов и может быть легко сконфигурирована для создания схемы FVC. Он широко используется в таких приложениях, как таймеры, сигналы тревоги, генерация импульсов и т. д.

Чтобы использовать эту ИС в качестве преобразователя частоты в напряжение, нам нужно подключить ее в нестабильном режиме. В этом режиме микросхема будет генерировать на выходе прямоугольную волну с рабочим циклом, который можно регулировать с помощью номиналов внешних резисторов и конденсаторов. Выходную частоту LM555 можно рассчитать по следующей формуле:

В вых = V вх x R f x -Ci [4]

IC TC9400

Это обычный преобразователь частоты в напряжение, который используется во многих Приложения. Он имеет широкий диапазон входных частот и может использоваться как для сигналов переменного, так и постоянного тока.

Он отличается низким энергопотреблением и широким диапазоном входного напряжения, что делает его идеальным для устройств с батарейным питанием.

Помимо программируемого коэффициента масштабирования, это делает TC9400 универсальным чипом.

Применение:

• Преобразование переменного сигнала в постоянный
• Измерение частоты
• Аналоговая передача данных
• Контроль скорости двигателя

несколько дополнительных компонентов. Это:

• Операционный усилитель интегратора
• Однократная схема
• Схема управления зарядом-разрядом
• Схема задержки 3 мкс
• Задержка на 2 сети
• Драйверы

Теперь короткое объяснение того, как работает эта схема. Во-первых, операционный усилитель-интегратор принимает входной сигнал и преобразует его в напряжение. Это напряжение равно выходной частоте.

Однократная схема создает сигнал широтно-импульсной модуляции. Затем этот сигнал подается в схему управления зарядом-разрядом. Затем контролируются заряд и разряд выходного напряжения операционного усилителя интегратора.

Цепь управления зарядом-разрядом управляет зарядкой и разрядкой конденсатора. Он управляет выходным напряжением операционного усилителя интегратора.

Выходное напряжение операционного усилителя интегратора затем подается на задержку двумя цепями. Эта сеть задерживает сигнал на два такта.

Наконец, драйверы берут этот задержанный сигнал и преобразуют его в ток, который можно использовать для управления нагрузкой.

Как видите, используя всего несколько дополнительных компонентов, мы можем легко создать преобразователь частоты в напряжение на основе TC9.400. [1], [3], [8]

Часто задаваемые вопросы

Какова основная цель использования преобразователя частоты в напряжение?

Основной целью использования преобразователя частоты в напряжение является преобразование входного сигнала с переменной частотой в выходное напряжение.

Преобразователи частоты в напряжение используются в различных приложениях, таких как преобразование скорости вала двигателя в соответствующее аналоговое напряжение или контроль изменения частоты источника переменного тока (AC).

Они также могут использоваться для более специализированных приложений, таких как обнаружение и измерение очень малых изменений частоты или обеспечение управляющих сигналов для электронных устройств, работающих на определенных частотах.

Как выполняется преобразование частоты?

Преобразование частоты — это процесс преобразования сигнала с одной частоты на другую. Преобразователи частоты можно использовать для изменения частоты сигнала переменного тока или для преобразования переменного тока в постоянный.

Существует несколько способов преобразования частот, но наиболее распространенным является использование трансформатора. Трансформатор — это электрическое устройство, которое использует электромагнитную индукцию для изменения напряжения сигнала переменного тока (AC).

Трансформаторы работают, индуцируя напряжение в проводнике, когда он помещается в переменное магнитное поле. Величина индуцированного напряжения зависит от количества витков в проводнике и скорости изменения магнитного поля.

Как преобразовать импульс в напряжение?

Преобразование импульса в напряжение осуществляется с помощью преобразователя частоты в напряжение для преобразования частоты входного импульса в соответствующее напряжение.

Выходное напряжение преобразователя пропорционально частоте входных импульсов, поэтому, изменяя коэффициент заполнения входных импульсов, можно управлять выходным напряжением.

Однако вам потребуется отрегулировать уровень сигнала, чтобы преобразователь мог точно преобразовывать входные импульсы в напряжение.

Полезное видео: Преобразователи частоты в напряжение и напряжения в частоту

Заключение

Преобразователи частоты являются неотъемлемой частью многих электронных устройств. Преобразуя ток одной частоты в ток другой частоты, они позволяют различным устройствам взаимодействовать друг с другом. Это можно сделать внутри одного устройства или внешне между двумя устройствами. Напряжение обычно одинаково до и после преобразования частоты, что делает их эффективным способом изменения сигнала без потери мощности.

В этой статье мы рассмотрели некоторые типы микросхем схемы FVC, а также объяснили наиболее распространенные области их применения. В целом, хотя FVC может показаться простой технологией, они необходимы для современной жизни. Спасибо за чтение!

[1].0124

https://www.circuitstoday.com/преобразователь частоты в напряжение

https://www. elprocus.com/преобразователь частоты в напряжение-использование-555-ic/

https:/ /www.allaboutcircuits.com/video-tutorials/ac-and-dc-signals/

https://microcontrollerslab.com/frequency-to-voltage-converter-circuits/

https://www.easytechjunkie.com /what-is-a-frequency-to-voltage-converter.htm

https://www.mouser.in/new/microchip/microchip-tc9400-vf-converters/

https://www.homemade-circuits.com/frequency-to-voltage-converter-circuit/

Как использовать мультиметр для проверки напряжения проводов под напряжением?

Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Автоколебательный повышающий преобразователь импульсного напряжения Виганда для модулей с автономным питанием

1. Введение

В обществе Интернета вещей (IoT) электронные устройства и модули могут быть подключены к Интернету и обмениваться информацией через различные датчики [1] . Обычно их называют устройствами IoT. Количество IoT-устройств быстро растет и к 2025 году ожидается, что оно достигнет 80–120 миллиардов [2]. Для этих устройств требуется значительное количество аккумуляторов, требующих дорогостоящего и трудоемкого обслуживания, что также является причиной загрязнения окружающей среды. Ожидается, что сбор энергии, такой как сбор небольшого количества энергии из окружающей среды и преобразование ее в электрическую энергию, решит эту проблему [3,4]. Энергия из окружающей среды, если она доступна, может непрерывно поставлять электроэнергию и, таким образом, использоваться в качестве независимого источника питания в течение длительных периодов времени без замены жгута питания и батареи. Благодаря разработкам в области миниатюризации и энергосбережения маломощные источники питания могут постепенно удовлетворять многие требования устройств IoT [5]. Это исследование знакомит с использованием схемы автоколебательного повышающего преобразователя для выработки электроэнергии с использованием датчика Виганда [6,7] в качестве элемента сбора энергии.

Датчик Виганда формирует импульсные напряжения, не зависящие от частоты внешнего магнитного поля [8]. Эти импульсные напряжения генерируются с постоянной интенсивностью даже при сверхмедленных изменениях магнитного поля. Поэтому датчик Виганда привлек значительное внимание как источник питания для безбатарейной работы электронных устройств и для сбора энергии [9]. Вклад этого исследования заключается в разработке источника питания постоянного тока для электронных устройств и модулей с использованием датчика Wiegand. Очень важно создать источник питания постоянного тока на 5 В, поскольку его можно использовать для нескольких устройств IoT. Мощность, генерируемая датчиком Виганда, составляет порядка 1 мВт, даже когда частота приложенного магнитного поля составляет всего 1 кГц [8]. В этом исследовании мы разработали и проверили автоколебательную схему повышающего преобразователя [10,11,12], подключенную к датчику Виганда в качестве генератора энергии. Генерация постоянного тока 5 В реализована с помощью датчика Виганда; это может быть недостижимо с использованием других методов при частоте возбуждения 1 кГц.

Оставшаяся часть этой статьи организована следующим образом: После введения датчика Виганда и его генерации импульсов в Разделе 2, схемы для преобразования постоянного тока импульсного напряжения и автоколебательный повышающий преобразователь представлены в Разделе 3. В В разделе 4 мы представляем свойства схемы автоколебательного повышающего преобразователя, подключенного к датчику Виганда, полученные как экспериментально, так и с помощью моделирования. Наконец, выводы этого исследования представлены в Разделе 5.

2. Датчик Виганда как источник напряжения

2.1. Измерение импульсного напряжения от датчика Виганда

Мы использовали магнитную проволоку из железо-кобальт-ванадия (FeCoV) диаметром 0,25 мм и длиной 11 мм. Датчик Виганда, использованный в этом исследовании, состоял из провода и катушки с 3000 витками, намотанными вокруг него. Магнитные свойства этого провода практически такие же, как те, о которых мы подробно сообщали ранее [13]. Его магнитная структура показана на рис. 1. Внешний слой и внутренний сердечник проявляют магнитомягкие и магнитотвердые свойства с более низкой (1,6 кА/м) и более высокой (6,4 кА/м) коэрцитивной силой соответственно. Направление намагничивания этих слоев может быть как параллельным, так и антипараллельным, как показано на рис. 1, что является особенностью проволоки Виганда.

Когда магнитное поле превышает коэрцитивную силу мягкого слоя, в последнем происходит быстрое перемагничивание, называемое эффектом Виганда [6]. Импульсное напряжение индуцируется в приемной катушке, намотанной на провод [8,14]. Датчик Виганда состоит из провода Виганда и катушки датчика. Поскольку быстрое перемагничивание инициируется независимо от изменения коэффициента приложенного магнитного поля, интенсивность и ширина импульса остаются постоянными [15]. На рис. 2 показана измеренная форма импульса напряжения, генерируемого датчиком Виганда. Мы измерили форму напряжения холостого хода на обоих концах катушки датчика с помощью осциллографа [8,9]. ]. Интенсивность и частота переменного приложенного магнитного поля составляли 3,2 кА/м и 1 кГц соответственно. Использовалась катушка возбуждения длиной 25 мм, диаметром 22 мм и 90 витками. К датчику Виганда прикладывалось переменное магнитное поле с помощью катушки возбуждения, генератора сигналов и биполярного усилителя. Положительные и отрицательные импульсы длительностью 20 мкс индуцировались в датчике попеременно в течение 1 мс. Это было связано с электромагнитной индукцией, вызванной изменением магнитного потока, соответствующим переменному перемагничиванию мягкого слоя.

2.2. Импульсное напряжение от датчика Виганда, используемого в качестве источника напряжения в моделировании

Как сообщалось ранее, мы можем определить модель эквивалентной схемы датчика Виганда [16]. Собственное импульсное напряжение, V _в , датчика Wiegand было определено для оценки прикладных схем датчика Wiegand посредством моделирования MATLAB ^® /Simulink ^® . На рис. 3 показана форма импульса собственного импульсного напряжения, В _в , генерируемого датчиком Виганда. Характеристики моделируемой и экспериментальной схем согласовывались при использовании модели эквивалентной схемы датчика Виганда, которая состояла из V _в в качестве источника напряжения, внутреннее сопротивление 180 Ом, индуктивность 17 мГн [16].

2.3. Преобразование постоянного тока импульсного напряжения Виганда

Преобразование переменного тока в постоянный используется для получения постоянного напряжения из импульсного напряжения Виганда, как показано на рис. 4. Попеременное положительное и отрицательное импульсное напряжение выпрямляется схемой выпрямителя с использованием диодов. Схема сглаживающего фильтра с использованием конденсатора преобразует импульсное напряжение в постоянное. На рис. 5 показаны схема преобразования постоянного тока, параметры диода, конденсатор и резистор, использованные в наших экспериментах и ​​моделировании. Д ₁ –D ₄ , указанные на рисунке 5, представляют собой диоды (RBR3MM30A) для выпрямления. R _Load представляет собой нагрузочное сопротивление 5,5 МОм. C ₁ использовали в качестве сглаживающего конденсатора в диапазоне 1–220 нФ для анализа обработанного и постоянного напряжения постоянного тока. C

1 = 1, 10, 20, 50, 100 или 220 нФ подключали к двухполупериодному мостовому выпрямителю и измеряли формы выходного напряжения V _out . На рис. 6а видно, что V _из насыщается при 2,77 В, независимо от емкости C ₁ . Время релаксации насыщения больше для меньшего C ₁ . На рис. 6б показаны смоделированные формы выходного напряжения, которые согласуются с экспериментальными результатами. Для моделирования схемы использовался LTspice ^® [16].

Частота пульсаций составила 2 кГц, т. е. вдвое больше частоты возбуждения, из-за двухполупериодного выпрямителя. Пульсации выходного напряжения высоки для C ₁ ≤ 20 нФ и очень малы для C ₁ > 20 нФ. Скорость пульсаций, Ripple, рассчитывалась по следующему уравнению:

где V _max , V _min и V _medium — соответственно максимальное, минимальное и среднее напряжения, прикладываемые в течение 1 мс в течение одного цикла возбуждения. Частоты пульсаций, рассчитанные на основе экспериментальных и смоделированных выходных напряжений, показаны на рисунке 7.

3. Схема автоколебательного повышающего преобразователя

Как упоминалось в разделе 2.2, максимальное напряжение, полученное на сглаживающем конденсаторе после преобразования постоянного тока импульса Виганда напряжение составляет 2,77 В. Для работы нескольких электронных модулей важно получить постоянное напряжение 5 В. В этом исследовании мы применяем схему автоколебательного повышающего преобразователя для импульсного напряжения Виганда. Особенность вольтодобавочного преобразователя заключается в том, что энергия, запасенная в катушке индуктивности, увеличивает выходное напряжение, которое затем превышает входное напряжение. На рис. 8 показана типичная схема повышающего преобразователя. Чередующаяся последовательность накопления энергии в катушке индуктивности и передачи ее обратно в цепь повышает напряжение. Энергия накапливается в катушке индуктивности L, когда M, полевой транзистор (FET), находится в состоянии ON, тогда как накопленная энергия передается от L к конденсатору C, когда M находится в выключенном состоянии. В результате V

из получается выше, чем V _из . Как правило, для применения этой чередующейся последовательности используется включение/выключение М, управляемое внешним сигналом [10]. Поскольку это исследование направлено на разработку электронных модулей с автономным питанием, внешний сигнал для переменной последовательности использовать нельзя. Поэтому используется автоколебательный повышающий преобразователь. На рис. 9 показана схема автоколебательного повышающего преобразователя, используемая в этом исследовании для импульсного напряжения Виганда. Входное напряжение, В _В , импульс шириной 20 мкс, используемый в качестве источника питания, генерирует колебательное напряжение V _C1 . Частота этих колебаний соответствует резонансной частоте, определяемой дросселем L и конденсаторами С ₁ и С _GS [11,12]. Это колебательное напряжение на V _C1 переключает последовательные состояния ON и OFF M, как показано на рисунке 9.

• Состояние ON M

  Когда колебательное импульсное напряжение на V _C1 превышает пороговое напряжение затвора, В _th полевого транзистора, полевой транзистор включается, и V _ds падает на уровень земли. Это позволяет току I _L течь в L, где хранится энергия. Ток протекает через диод D и обеспечивает выходное напряжение V _out .

• Состояние ВЫКЛ M

  Когда колебательное импульсное напряжение на V _C1 ниже V _th , полевой транзистор отключается. Энергия, накопленная в L во время работы полевого транзистора, передается на выходной конденсатор C ₂ , через диод D.

D предотвращает обратный ток в L. При повторении последовательности включения/выключения полевого транзистора получается выходное напряжение постоянного тока, превышающее V _в .

4. Экспериментальные результаты и обсуждение

4.1. Разработка автоколебательного повышающего преобразователя для импульсного напряжения Виганда

В этом исследовании мы разработали и изготовили выпрямляющую и повышающую схему для импульсного напряжения Виганда, показанного на рис. 10. Схема состоит из мостового выпрямителя с диодами и автоколебательного повышающего преобразователя. компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, n-канальные полевые транзисторы и диоды, как описано в предыдущем разделе и на рисунках 8 и 9.. Подробно параметры элементов схемы указаны на рис. 10 и в табл. 1. Входное напряжение подается с датчика Виганда. К проволоке прикладывалось переменное магнитное поле напряженностью 3,2 кА/м. Частота этого поля составляла 1 кГц. Преимуществом датчика Виганда является эффективное генерирование мощности в низкочастотном диапазоне ниже 1 кГц [8].

На рис. 11 показаны смоделированные формы сигналов напряжения и тока в автоколебательном повышающем преобразователе. Выпрямленное напряжение импульса Виганда колеблется резонансом C ₁ и L ₁ . Это колебательное напряжение, V _C1 , включает и выключает полевой транзистор. V _ds подтверждает состояние включения/выключения полевого транзистора. В результате осциллирующих I _L1 и I _D5 и сглаживающего конденсатора C ₂ на выходе получается постоянное напряжение постоянного тока. V _out составляет 5,1 В, что выше, чем входное напряжение V _C1 , а напряжение постоянного тока 2,77 В получается без схемы бустера, как показано на рисунке 6. 9.0003

V _out зависит от параметров цепи L ₁ и C ₁ , как показано на рисунке 12. V _out увеличивается по мере уменьшения C ₁ . Комбинация L ₁ = 4,5 мГн и C ₁ = 20 нФ оптимальна для получения постоянного напряжения приблизительно 5,1 В, что соответствует цели данного исследования по созданию постоянного напряжения 5 В, которое можно использовать в качестве источник питания для различных электронных модулей. Зависимость пульсаций выходного напряжения от конденсатора С ₂ . Как показано на рисунке 13, выход V _из не зависит от C ₂ и стабилен с меньшими пульсациями, когда C ₂ > 60 нФ.

4.2. Экспериментальные и смоделированные результаты автоколебательного повышающего преобразователя

На рис. 14 показаны экспериментальные и смоделированные осциллограммы выходного и других напряжений схемы автоколебательного повышающего преобразователя, представленные на рис. 10 и в таблице 1. Мы измерили осциллограммы напряжений при В _из , V _ds и V _C1 , как показано на принципиальной схеме на рис. 10, с помощью осциллографа. Поскольку частота приложенного поля составляла 1 кГц, полная временная шкала 0,5 мс на рисунке 14 соответствует одному периоду генерируемого импульса Виганда. Наблюдаемые колебания V _ds , V _C1 и V _out согласуются с соответствующими расчетными значениями.

На рис. 15 показана зависимость V _от от времени. Моделируемые и наблюдаемые напряжения насыщения почти эквивалентны. Мы обсудили экспериментальные и смоделированные результаты схемы, показанной на рисунке 10. Сопротивление нагрузки R _{Использовалась нагрузка} = 5 МОм, что соответствует почти «условию разомкнутой цепи» для выхода. На рис. 16 представлена ​​зависимость I _вых и V _вых от сопротивления нагрузки R _{Нагрузка} . V _из уменьшается по мере увеличения R _Load . На рисунке 12 показано, что V _из изменяется с C ₁ , достигая 5 В при настройке C ₁ . Однако пульсации V _из ухудшаются при C ₁ < 10 нФ.

На рис. 17 показана электрическая мощность P _из используется в R _{Загрузка} . Экспериментально максимальная мощность 63 мкВт была получена при R _Load = 10 кОм, что не совпадает с сопротивлением приемной катушки, например 180 Ом для датчика Виганда [9]. Это несоответствие связано с элементами и работой автоколебательной повышающей схемы. Фактически, мы сообщали, что максимальная мощность была получена при сопротивлении нагрузки 2 кОм, что выше, чем сопротивление катушки постоянного тока для датчика Виганда, соединенного с выпрямляющей и сглаживающей цепями [8].

В этом исследовании переменное магнитное поле прикладывается к датчику Виганда извне в качестве энергии возбуждения, что приводит к генерации импульсного напряжения Виганда. Привлекательной особенностью датчика Виганда является то, что генерируемое импульсное напряжение не зависит от частоты приложенного переменного магнитного поля. На рис. 18 показаны измеренные значения V _out и их функция частоты пульсаций при частоте возбуждения 1 кГц и ниже; V _из уменьшается с частотой. Однако В _из около 5 В и низкая частота пульсаций достигаются в диапазоне частот до 0,6 кГц. При частоте 0,4 кГц выходное напряжение все еще достигает 3,3 В с уровнем пульсаций менее 5%. Этот результат указывает на то, что автоколебательный повышающий преобразователь может быть использован в практических приложениях в качестве источника питания для электронных модулей.

4.3. Применение датчика Виганда в качестве источника питания

На рис. 19 показано соотношение между V _и и I _из , полученных с помощью датчика Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем. Он показывает функции диапазона напряжения и тока для сопротивления нагрузки, используемого для практического применения в качестве источника питания. Стабильное выходное напряжение 5 В сохраняется при токах до 1 мкА. Этот диапазон напряжения/тока используется в устройствах IoT с низким энергопотреблением [17]. Кроме того, он совместим с существующими ИС для сбора энергии, такими как понижающие преобразователи постоянного тока для накопления энергии, используемые для фотоэлектрических и вибрационных элементов генерации энергии [18]. Обычно преобразователь постоянного тока используется в сочетании с аккумуляторными батареями, чтобы обеспечить высокий КПД и максимальное потребление тока порядка 1 мА [19].]. Таким образом, разработанная схема с датчиком Виганда может быть использована с аккумуляторной батареей; он обеспечивает более высокую способность потребляемого тока и может использоваться в качестве источника питания для устройств IoT.

5. Выводы

Мы разработали автоколебательную схему повышающего преобразователя, подключенную к датчику Wiegand. Датчик Wiegand состоит из магнитопровода FeCoV диаметром 0,25 мм, длиной 11 мм и приемной катушки с 3000 витками, намотанной на провод. Этот магнитный провод, то есть провод Виганда, генерирует пиковое импульсное напряжение 4,62 В и длительностью 20 мкс во время перемагничивания его внешнего слоя в более низком коэрцитивном поле. К датчику Виганда прикладывали переменное магнитное поле 3,2 кА/м с частотой 1 кГц, а в измерительной катушке индуцировали переменные положительные и отрицательные импульсы напряжения. Напряжение постоянного тока 2,77 В было получено мостовым выпрямителем и сглаживающим конденсатором, подключенным к датчику Виганда. Это постоянное напряжение может быть увеличено примерно до 5 В с помощью схемы автоколебательного повышающего преобразователя. Экспериментальные результаты вольтамперных характеристик и пульсаций согласуются с результатами моделирования. Это исследование представляет собой значительный шаг вперед в использовании датчика Wiegand в качестве источника питания для безбатарейных устройств и модулей.

Вклад авторов

Концептуализация, Ю.Т.; Методология, Ю.Т. и С.С.; Расследование, Х. С. и Х.И.; Письмо — Подготовка исходного проекта, XS; Написание — обзор и редактирование, Ю.Т. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Это исследование было частично профинансировано JSPS KAKENHI, номер гранта 19K21965.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Дхананджай, С.; Гаурав, Т .; Антонио, Дж. Обзор Интернета вещей: видение будущего, архитектура, проблемы и услуги. Материалы Всемирного форума IEEE по Интернету вещей, Сеул, Корея, 6–8 марта 2014 г.; стр. 287–292. [Google Scholar]
2. Балакришна С.; Тирумаран, М .; Соланки, В.К. Платформа для сбора и анализа данных датчиков IoT. Одобренный EAI Trans. Интернет-вещи 2018 , 4, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]
3. Цитрони Р.; Ди Паоло, Ф.; Ливрери, П. Оценка устройства сбора оптической энергии для применения SHM. Междунар. Дж. Электр. Комм. 2019 , 111, 152918. [Google Scholar] [CrossRef]
4. Шарпс, Н.; Вучкович, Д.; Прия, С. Сборщик энергии напольной плитки для беспроводного определения присутствия с автономным питанием. Энергетический урожай. Сист. 2016 , 3, 43–60. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Моримура, Х.; Осима, С.; Мацунага, К.; Шимамура, Т .; Харада, М. Методы схем со сверхнизким энергопотреблением для узлов беспроводных датчиков миллиметрового размера со сбором энергии. ИЭИСЭ Электрон Экспресс 2014 , 11, 1–12. [Google Scholar] [CrossRef][Зеленая версия]
6. Виганд, младший; Велински, М. Бистабильное магнитное устройство. Патент США 3820090, 25 апреля 1972 г. [Google Scholar]
7. Dlugos, D.J.; Смолл, Д.; Зифер, Д.А. Генератор энергии на эффекте Виганда. Патент США 6191687, 24 сентября 1998 г. [Google Scholar]
8. Takahashi, K.; Такебучи, А .; Ямада, Т . ; Такемура, Ю. Источник питания для медицинских имплантатов с помощью импульса Виганда, генерируемого магнитным проводом. Дж. Маг. соц. Япония. 2018 , 42, 49–54. [Google Scholar] [CrossRef][Зеленая версия]
9. Такемура Ю.; Фуджинага, Н.; Такебучи, А .; Ямада, Т. Датчик Холла без батареи, работающий за счет сбора энергии от одного импульса Виганда. IEEE транс. Магн. 2017 , 53, 4002706. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
10. Erickson, RW; Максимович, Д. Основы силовой электроники; Springer: Boston, MA, USA, 1997. [Google Scholar]
11. Liu, K.H.; Ли, Ф. Метод переключения при нулевом напряжении в преобразователях постоянного тока. IEEE транс. Силовой электрон. 1990 , 5, 293–304. [Google Scholar] [CrossRef]
12. Saggini, S.; Онгаро, Ф .; Коррадини, Л.; Аффанни, А. Решения по сбору энергии малой мощности для преобразователей Виганда. IEEE J. Emerg. Сел. Верхний. Силовой электрон. 2015 , 3, 766–779. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Ян, К.; Сакаи, Т .; Ямада, Т .; Песня, З .; Такемура, Ю. Улучшение импульсного напряжения, генерируемого датчиком Виганда, за счет управления магнитным потоком. Датчики 2020 , 20, 1408. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
14. Чанг, К.-К.; Чанг, Дж.-Ю. Новое устройство сбора энергии на основе эффекта Виганда для системы линейного магнитного позиционирования. микросистема Технол. 2020 , 26, 3421. [Google Scholar] [CrossRef]
15. Танака, Х.; Такемура, Ю.; Абэ, С.; Коно, С .; Накамура, Х. Постоянная скорость распространения доменных стенок, не зависящая от напряженности приложенного поля, в проволоке Викаллоя. IEEE транс. Магн. 2007 , 43, 2397–2399. [Google Scholar] [CrossRef]
16. Sun, X.; Ямада, Т .; Такемура, Ю. Выходные характеристики и моделирование схемы датчика Виганда. Датчики 2019 , 19, 2991. [Google Scholar] [CrossRef][Green Version]
17. Newell, D.; Даффи, М. Обзор преобразования энергии и управления энергопотреблением для маломощных и низковольтных беспроводных датчиков с питанием от сбора энергии. IEEE транс. Силовой электрон. 2019 , 34, 9794–9805. [Google Scholar] [CrossRef]
18. R1801K. Доступно в Интернете: https://www.mouser.co.uk/datasheet/2/792/r1801k001a_eev-1917814.pdf (по состоянию на 6 мая 2021 г.).
19. Дрю, Дж. Питание пылинки от пьезоэлектрического преобразователя. Доступно в Интернете: https://www.analog.com/jp/technical-articles/powering-a-dust-mote-from-a-piezoelectric-transducer.html (по состоянию на 6 мая 2021 г.).

Рисунок 1. Два состояния направления намагниченности проволоки Виганда: ( a ) параллельное и ( b ) антипараллельное состояния мягкого слоя и жесткого ядра.

Рис. 1. Два состояния направления намагниченности проволоки Виганда: ( a ) параллельное и ( b ) антипараллельное состояния мягкого слоя и жесткого ядра.

Рисунок 2. Измеренная форма импульса напряжения, генерируемого датчиком Виганда. Частота приложенного магнитного поля составляла 1 кГц.

Рисунок 2. Измеренная форма импульса напряжения, генерируемого датчиком Виганда. Частота приложенного магнитного поля составляла 1 кГц.

Рисунок 3. Форма волны собственного импульсного напряжения, В _в , сгенерированная датчиком Виганда, используемая для моделирования схемы через MATLAB ^® /Simulink ^® . Частота возбуждения 1 кГц.

Рис. 3. Осциллограмма собственного импульсного напряжения, В _в , сгенерированный датчиком Wiegand, используемый для моделирования схемы через MATLAB ^® /Simulink ^® . Частота возбуждения 1 кГц.

Рисунок 4. Блок-схема преобразования постоянного тока импульсного напряжения Виганда.

Рис. 4. Блок-схема преобразования постоянного тока импульсного напряжения Виганда.

Рисунок 5. Цепь преобразования постоянного тока подключена к модели эквивалентной схемы датчика Виганда.

Рис. 5. Цепь преобразования постоянного тока подключена к модели эквивалентной схемы датчика Виганда.

Рисунок 6. ( a ) Измеренные и ( b ) смоделированные выходные напряжения после преобразования постоянного тока импульсного напряжения Виганда.

Рис. 6. ( a ) Измеренные и ( b ) смоделированные выходные напряжения после преобразования постоянного тока импульсного напряжения Виганда.

Рисунок 7. Пульсации выходного напряжения.

Рисунок 7. Пульсации выходного напряжения.

Рисунок 8. Схема повышающего преобразователя.

Рис. 8. Схема повышающего преобразователя.

Рисунок 9. Схема автоколебательного повышающего преобразователя.

Рис. 9. Схема автоколебательного повышающего преобразователя.

Рисунок 10. Экспериментальная схема датчика Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Рис. 10. Экспериментальная схема датчика Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Рисунок 11. Смоделированные осциллограммы напряжений и токов в автоколебательном повышающем преобразователе.

Рис. 11. Смоделированные осциллограммы напряжений и токов в автоколебательном повышающем преобразователе.

Рисунок 12. Зависимость выходного напряжения, В _вых , от параметров L ₁ и С ₁ .

Рисунок 12. Зависимость выходного напряжения, В _вых , от параметров L ₁ и С ₁ .

Рисунок 13. Зависимость выходного напряжения, В _вых , от параметра С ₂ и его частоты пульсаций.

Рис. 13. Зависимость выходного напряжения, В _вых , от параметра С ₂ и его частоты пульсаций.

Рисунок 14. Осциллограммы V _из , V _ds и V _C1 в автоколебательном повышающем преобразователе.

Рис. 14. Формы сигналов V _out , V _ds и V _C1 в автоколебательном повышающем преобразователе.

Рисунок 15. Расчетное и экспериментальное выходное напряжение постоянного тока, В _из .

Рис. 15. Расчетное и экспериментальное выходное напряжение постоянного тока, В _из .

Рисунок 16. Зависимость смоделированного и измеренного V _из и I _из по сопротивлению нагрузки, R _{Нагрузка} .

Рис. 16. Зависимость смоделированных и измеренных V _вых и I _вых от сопротивления нагрузки, R _{Нагрузка} .

Рис. 17. Зависимость выходной мощности, P _out , от сопротивления нагрузки, R _{Нагрузка} .

Рис. 17. Зависимость выходной мощности, P _out , от сопротивления нагрузки, R _{Нагрузка} .

Рисунок 18. Зависимость измеренного V _out от частоты и скорости его пульсаций.

Рис. 18. Зависимость измеренного V _out от частоты и скорости его пульсаций.

Рисунок 19. Преобразование V _из – I _из для практического применения датчика Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Рис. 19. Преобразование V _из – I _из для практического применения датчика Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Таблица 1. Параметры элементов схемы импульсного напряжения Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Таблица 1. Параметры элементов схемы импульсного напряжения Виганда с автоколебательным повышающим преобразователем.

Component	Value/Type (Model Name)
Capacitance: C 1	20 nF
Capacitance: C 2	60 nF
Inductance: L 1	4. Похожие записи 31.08.2023 0 Микросхема 358: подробный обзор, применение и характеристики операционного усилителя 30.08.2023 0 Радиозвонок схема. Радиозвонок своими руками: схемы, устройство и монтаж беспроводного дверного звонка 29.08.2023 0 Электросхема ваз 2105 инжектор. Электросхема ВАЗ 2105: особенности, устройство и основные неисправности Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт