Что будет если поменять полярность на электродвигателе постоянного тока
Электрический двигатель постоянного тока
Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.
Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.
Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.
Устройство и описание ДПТ
Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.
Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:
Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.
Статор (индуктор)
В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.
Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:
Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.
Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ
У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.
Ротор (якорь)
В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.
В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.
Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.
Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками 
Рисунок 4. Якорь со многими обмотками
Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.
Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем
Коллектор
Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.
Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.
Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.
В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.
Принцип работы
Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:
F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.
Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.
Рис. 6. Принцип работы ДПТ
Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.
Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.
Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.
Типы ДПТ
Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.
Рассмотрим основные отличия.
По наличию щеточно-коллекторного узла
Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.
Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.
В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.
По виду конструкции магнитной системы статора
В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.
О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.
Управление
Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.
Механическая характеристика
Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.
Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения
Регулировочная характеристика
Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.
Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.
Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением
Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.
Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.
Области применения
Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:
Преимущества и недостатки
К достоинствам относится:
У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.
Недостатки:
По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.
Что будет если поменять полярность электродвигателя постоянного тока
Поляризованное реле, что за зверь и где его используют.
Нашел у себя в запасах такую штуку (см. фото). Когда-то лет 8 назад делал один проект, где планировал использовать это реле. Его размер меньше обычной сим карты.
Основной принцип действия основан на том, что в нем есть перекидной контакт и постоянный магнит.
Перекидной контакт, под действием катушки 3 или 3′ принимает заданное положение. Далее якорь удерживается магнитным потоком от постоянного магнита. Устойчивых положений всего 2. Основное удобство в том, что на переключение реле, нужен только и импульс и оно энергонезависимое. То есть, если пропало питание, то состояние останется неизменным.
Но есть и определенные нюансы, которые могут стать минусами, например, при длительной подаче напряжения на обмотку, она может сгореть. При тряске или вибрации может сменить своё состояние.
Управляется реле по постоянному току и заданной полярности. Так например, подавая напряжение на контакты Г и В, где + на В, получим переключение контактов на 13 и 23 соответственно. Подавая напряжение на А и Б, где + на Б получим переключение на контакты 11 и 13.
В любом случае сперва лучше обращаться к справочной литературе.
Реле используется во многих схемах. Часто применяется в технике, где портативное питание, так как энергию потребляет только в момент переключения (например комнатные термостаты на батарейках).
Есть вариант ручного переключения с самоблокировкой, вот пример схемы:
Кнопками к1 или к2 меняем состояние реле, при этом в момент переключения реле само себя отключает от нагрузки. При нажатии на обе кнопки одновременно получим автоколебания, треск реле короче.
Для начала думаю хватит, более подробно можно узнать из справочника по реле.
Сайт установщиков
Навигация по страницам
Реле — это электромагнитный переключатель, состоящий из катушки (контакты 85 и 86), одного общего контакта (30), одного нормально разомнкнутого (87) и одного нормально замкнутого (87a) контактов. Такие реле — самые распостраненные и называются однополюсными на два направления.
Когда напряжение на катушке такого реле отсутствует, контакты 30 и 87a — общий и нормально замкнутый — соединены.
Если подать на катушку напряжение то реле переключится и теперь будут замкнуты контакты 30 и 87 — общий и нормально разомкнутый. Если напряжение на катушке теперь пропадет — то реле вернется в свое исходное состояние.
При подключении реле полярность включения катушки не имеет значения, если только нет защитного диода, соединяющего контакты катушки. Если его нет, вы можете подключать провод положительного напряжения (плюсовой) к любому из контактов катушки, а провод отрицательного к оставшемуся из них, в противном случае нужно подключать плюсовой провод к тому контакту, к которому подключен катод диода (он помечен полоской на его корпусе), а провод отрицательного напряжения (минусовой) к его аноду.
Диоды чаще всего используются для защиты реле от перегрузок возникающих в момент размыкания цепи катушки. При наличии диода ток катушки через него свободно стекает предотвращая возникновения пиков напряжения в момент размыкания и защищая таким образом контакты от искрения и другие чувствительные цепи от этих толчков.
Зачем нужно использовать реле?
Каждый раз когда требуется подключить устройство, потребляющее ток больший, нежели управлящее устройтво способно выдать на свой выход — требуется установка реле. Катушка реле для его активизации требует очень малых токов (не более 200 миллиапер), а ток проходящий через общий нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты напротив, может быть весьма велик и достигать в пределе 30-40 ампер.
Это свойство реле позволяет управлять такими устройствами, как фары, парковочные огни, гудки и т.п. используя слаботочные выходы сигнализаций, центральных замков или других систем. В некоторых случаях необходимо одновременно включить несколько устройств используя один выход. Тогда подключают этот выход к множеству реле которые в свою очередь одновременно замыкают и размыкают множество цепей одновременно.
Существует огромное множество задач которые требуют применения реле, далее мы рассмотрим лишь самую простую из них в качестве примера.
Смена полярности с отрицательной на положительную
Если у вас имеется отрицательный выход на каком-нибудь устройстве, таком как сигнализация или центральный замок, и вы хотите использовать его для управления устройством которое требует +12 вольт для работы (например фары или замок люка в крыше) вам потребуется подключить реле как показано ниже для смены полярности управляющего напряжения.
Смена полярности с положительной на отрицательную
Если Вам наоборт необходимо использовать положительный выход сигнализации с устройством которое требует замыкания на «землю», подключите реле следующим образом для смены полярности управляющего сигнала на отрицательную.
Для чего нужно реле контроля напряжения
Бытовые электроприборы рассчитаны на напряжение 220-240 В. Периодически в электросети возникают нештатные ситуации. Напряжение в розетке прыгает в большую или меньшую сторону. Скачки способны нарушить работу бытовой техники или вовсе вывести ее из строя.
Распространенный случай перепадов напряжения — это обрыв нуля. При этом на одной фазе напряжение падает ниже допустимого уровня. На другой, наоборот, происходит существенное превышение вольтажа вплоть до 380в.
Другая ситуация свойственна старым домам с плохой электропроводкой и разболтавшимися контактами. Из-за плохого состояния кабелей и их перегрузки напряжение в розетках способно упасть до 170 В и ниже. Это опасно для электрических двигателей стиральных машин и холодильников.
На защиту электроприборов встает реле контроля напряжения. Это небольшое устройство располагается в распределительном щитке квартиры. Оно имеет компактную конструкцию, удобно крепится на дин рейку и выполняет свою задачу полностью автономно.
Дополнительная информация. Нужно отличать реле контроля напряжения от всевозможных стабилизаторов и УЗМ. Все перечисленные устройства применяются для защиты бытовой техники. Стабилизатор — прибор активный. Он способен самостоятельно корректировать напряжение в квартире. РН выполняет более простую и пассивную функцию. Оно просто отключает потребителя при превышении допустимого порога и, само по себе, на вольтаж никак не влияет.
Технические параметры
К основным характеристикам РН относится рабочее напряжение, количество подключаемых фаз и максимальная пропускная мощность. Ниже рассмотрены параметры одного из популярных реле — RV-32.
Из характеристики следует, что реле питается от сетевого напряжения 220 В. Внутренние контакты способны длительно пропускать ток, равный 32 А, что соответствует потребителю мощностью 7 кВт. Класс IP 20 говорит, что устройство непригодно для работы во влажном помещении или на улице. Его допустимо устанавливать в специальный электрический щит. 100 тыс. рабочих циклов — это количество включений и отключений реле, которые оно способно перенести без разрушения.
Виды РН
В защите от скачков вольтажа нуждаются различные типы приборов. Некоторые из них работают от бытового напряжения 220 В и потребляют минимальную мощность. К примерам таких устройств относятся зарядные устройства для смартфонов или led лампочки. Другие так же работают от 220 В, но потребляют уже тысячи ватт мощности, например, электрические чайники и утюги. Третьи устройства требуют трехфазного питания 380 В. Обычное однополюсное РН им не годится. Среди таких потребителей промышленные станки и мощные асинхронные двигатели. Поэтому все реле для контроля напряжения принято разделять по типу корпуса и виду нагрузки.
По типу корпуса
Данная классификация указывает на то, какие приборы и в каком количестве возможно подключить к реле. По типу исполнения РН подразделяется на 3 вида:
Первый тип наиболее прост с точки зрения использования. Данное реле защиты от перенапряжения подключается непосредственно в розетку. С одной стороны корпуса имеется соответствующий разъем в виде штепсельной вилки. На другой части прибора расположена стандартная розетка для подключения нагрузки. Подобный тип РН можно быстро снять и подключить в другое место.
Меняем пусковую обмотку на рабочую или рабочую на пусковую
Во многих моделях моторов наружу выходят только 3 вывода. Это сделано для того, чтобы обезопасить агрегат от поломки, вызванной вмешательством в его работу. Но и в этом случае вы можете заставить двигатель вращаться в другую сторону при соблюдении следующих условий:
Эти данные влияют на сопротивление, которое должно оставаться постоянным. При смене полярности в случае, если длина или площадь сечения проводов не совпадают, сопротивление пусковой намотки станет таким же, как было у рабочей (или наоборот). Это будет препятствовать запуску мотора.
Имейте в виду, КПД электродвигателя снизится, а его эксплуатация в рабочем режиме должна быть непродолжительной, иначе неизбежен перегрев агрегата с последующим выходом из строя.
Чтобы сделать реверс, не разбирая устройство, вам необходимо:
При такой схеме для вращения двигателя в одну сторону (например, по часовой стрелке) следует подключить фазу к отводку конца рабочей обмотки. Для вращения ротора в противоположную сторону нужно перекинуть фазный провод на отводок начала пусковой обмотки. Соединять и разъединять провода можно вручную, но лучше использовать ключ.
Если предусматривается продолжительный рабочий период мотора, этим способом пользоваться не следует. Вскройте корпус двигателя и осуществите переподключение способом, описанным в первом или втором пунктах. В этом случае КПД агрегата не снизится.
Всех этих манипуляций можно избежать, если изначально при подключении электродвигателя предусмотреть возможность реверсирования и установить кнопочный пост переключения.
Распространенные схемы подключения
Отличия существуют и в мощности потребителей, которые подключаются через РН. Одним достаточно для питания фазы и нуля. Другие требуют трехфазное питание. Для каждой категории мощности нагрузки необходима соответствующая схема подключения реле. Поэтому принято выделять 3 способа включения этих защитных устройств:
Подключение однофазного РН
Схема применяется для подключения потребителей на 220 В. Она пригодна как для квартиры, так и для отдельного устройства.
Первоначально имеется однофазное РН, питающая и отходящая линии. Монтаж схемы производится по нижеизложенному плану:
Схема для трехфазного реле контроля напряжения
Разные модели трехфазных реле контроля напряжения имеют отличающийся набор клемм для подключения проводов. В стандартной комплектации их 8. Клеммы напряжения сети (4 шт.) нужны для подачи в устройство трех контролируемых фаз и нуля. На корпусе прибора они обозначаются L1, L2, L3 и N. Выходные релейные клеммы (4 шт.) используются для подключения последующих устройств защиты и автоматики. Они имеют маркировку «NO» у нормально открытых контактов, и «NC» у нормально закрытых.
Схема подключения собирается в 2 этапа:
Обратите внимание! Дорогостоящие трехфазные РН способны контролировать не только напряжение, но и ряд других параметров сети. Например, критический перекос фаз и правильность их чередования. Эти функции важны для правильной работы асинхронных двигателей и тиристорных преобразователей.
Подключение нагрузок свыше 100 кВт с помощью контактора
Некоторые потребители электроэнергии берут от сети токи в сотни ампер. Никакое РН не способно справиться с такими мощностями. В этой ситуации используют отдельный контактор. Его необходимо соединить с выходным реле.
Просто о двигателях постоянного тока
Считается, что мотор постоянного тока не имеют полярности — имеется в виду, что можно менять полярность питания без каких-то вредных последствий. Обычно моторы постоянного тока питаются напряжением от 6 до 12В. Более мощные питаются от 24В и выше. Но для роботов лучше всего использовать питание в диапазоне 6-12В. Так почему же моторы работают на различном напряжении? Как известно (или должны быть известно), напряжение прямо пропорционально вращающему моменту. Больше напряжение, выше момент. Но не подавайте на мотор 100В, ничего хорошего из этого не выйдет )) Мотор рассчитан на напряжение, при котором он будет работать наиболее эффективно. Если подать слишком маленькое напряжение, мотор едва будет крутиться, если слишком много, он перегреется и обмотки расплавятся. Так что основным правилом можно считать подачу напряжения, приближенного к номинальному. К тому же, несмотря на то, что 24В двигатель может быть мощнее, разве стоит нагружать робота 24В батареями, которые значительно тяжелее и больше? Я предлагаю не использовать напряжения выше 12 вольт для до тех пор, пока не понадобится действительно высокая мощность.
Обязательно нужно обратить внимание на ток. Слишком мало, не будет крутиться. Слишком много и получим расплавившиеся обмотки. Когда покупаете мотор, следует обратить внимание на два значения. Первое — рабочий ток. Это среднее количество тока, потребляемое двигателем для работы при стандартной нагрузке. Умножим это значение на напряжение и получим среднюю мощность, потребляемую двигателем. Другое значение, на которое нужно обратить внимание это ток потребления при заблокированном роторе. Эта величина получается при подаче питания на двигатель и приложении достаточной силы что бы остановить его. Это максимальное значение потребляемого двигателем тока, а значит и максимальное значение потребляемой мощности. Поэтому нужно создавать систему управления таким образом, что бы она выдерживала ток при заблокированном роторе. К тому же, если вы планируете постоянно использовать двигатель, или подавать напряжение выше номинального, хорошо бы охлаждать двигатель для предупреждения перегрева.
Насколько большое напряжение можно подать на двигатель? Обычно все моторы рассчитаны (или должны рассчитываться) на определенную мощность. Мощность это энергия. Неэффективность преобразования электричества в движение напрямую связано с нагревом. Слишком много тепла и обмотки двигателя расплавятся. Поэтому производители моторов (качественных) знают, какая мощность приведет к повреждению двигателя и дают эту информацию в документации на двигатель.Поэкспериментируйте, что бы определить, какое количество тока потребляет двигатель при используемом напряжении.
Мощность [Ватт] = Напряжение [Вольт] * Ток [Ампер]
Для смены направления вращения необходимо изменить полярность питания. Двигатель обладает собственной индукцией и моментом, которые сопротивляются этому изменению напряжения. Поэтому при смене направления вращения двигателя происходит мощный кратковременный выброс. Напряжение импульса может вдвое превышать напряжение питания. Ток примерно равняется максимальному. Отсюда вывод, силовая система управления должна быть рассчитана на мощные электрические импульсы.
При покупке двигателя постоянного тока нужно обратить внимание на два значения крутящего момента. Первый — рабочий крутящий момент. Это момент, на который рассчитан двигатель. Обычно это заявленное значение. Другое значение — момент при заблокированном роторе. Это момент, требуемый для остановки двигателя при вращении. Обычно используется только рабочий момент, но бывают случаи, когда нам нужно знать, насколько можно нагрузить двигатель. Если вы создаете колесного робота, большой момент означает хорошее ускорение. Мое личное правило — если на роботе 2 двигателя, момент каждого должен превышать вес робота на плече равном радиусу колеса. Всегда отдавайте предпочтение моменту перед скоростью. Помните, как сказано выше, значение крутящего момента может изменяться в зависимости от поданного напряжения. Так что если требуется чуть больший момент для того, что бы сломать что-то, подаем напряжение на 20% больше номинального, это безопасно для нас, но даст прирост мощности. Главное помните что это снижает КПД и требует дополнительного охлаждения двигателя.
Рекомендации по выбору
Из вышесказанного вытекает, что существует множество видов реле контроля напряжения. Подбор осуществляется с учетом конкретной ситуации, в которой РН предстоит работать. Наиболее значимые критерии выбора реле контроля напряжения таковы:
Дополнительная информация. Существуют реле контроля напряжения, оснащенные встроенным амперметром. Эти приборы позволяют отслеживать потребляемый квартирой ток. На них возможно организовать защиту от короткого замыкания или перегрузки сети.
Бестрансформаторные преобразователи полярности напряжения.
Как получить от однополярного блока питания, аккумулятора или батарейки напряжение обратной полярности.
Итак — у нас есть однополярный блок питания, либо как-либо иной элемент постоянного напряжения, но нам необходим ещё один источник того же напряжения, но обратной полярности для того, чтобы в сухом остатке поиметь двуполяный агрегат. Ясен пень, что лезть внутрь готового БП нам неохота, доматывать ещё одну обмотку трансформатора — ещё больше неохота. А охота нам посидеть, подумать, а там глядишь — да и спаять инвертор напряжения, т. е. устройство, которое преобразует полярность имеющегося напряжения на обратную.
Конечно, проще всего эту затею реализовать на специализированной микросхеме, такой как — ICL7660.
Рис.1 Схема включения микросхемы ICL7660
Микросхема ICL7660 — это слаботочный (до 20мА выход) инвертор напряжения, который преобразует положительное напряжение питания в отрицательное, иначе говоря — преобразователь полярности напряжения. Схема включения очень простая, содержит минимальное количество внешних элементов и в настройке не нуждается. Может использоваться в устройствах с малым потреблением и ограниченными массогабаритными характеристиками. Интегральная микросхема ICL7660 работает в диапазоне напряжений 1,5. 10 В, а ICL7660A — 1,5. 12 В. Собственный ток потребления преобразователя полярности — не более 80-170 мкА. Частота переключения — 10 кГц. КПД — 98%. Если напряжение питания меньше 3,5 В, то выход 6 микросхемы необходимо заземлить.
При желании всё ж таки изготовить инвертор полярности из дискретных элементов, предварительно следует ознакомиться с принципом работы большинства подобных устройств — преобразователями на коммутируемых конденсаторах. Принцип работы преобразователя на двух электронных ключах поясняет схема, приведённая на Рис.2.
Рис.2 Схема преобразования полярности на электронных ключах
Переключателями S1 и S2 управляют два противофазных сигнала. Когда замкнуты «контакты» переключателя S1 (и разомкнуты S2), конденсатор С1 заряжается от источника питания через диод VD2 до уровня Uпит минус падение напряжения на открытом диоде VD2. Затем, когда «контакты» переключателя S1 размыкаются, a S2 замыкаются, конденсатор С1 оказывается подключённым к конденсатору С2 через диод VD1. Вследствие этого происходит его разрядка на конденсатор С2. Напряжение на конденсаторе С2 увеличится на некоторую величину, определяемую соотношением номиналов С1 и С2 и через нескольких периодов переключений достигнет установившегося значения ≈ Uпит — 2Uпр.д.
Практическая реализация преобразователя полярности показана на Рис.2 справа. Здесь в качестве переключателей S1 и S2 использованы два комплементарных транзистора, управляемые одним общим сигналом в противофазе.
Если убрать из схемы накопительный конденсатор С2 и посмотреть сигнал на минусовом выводе преобразователя осциллографом, то мы увидим на нагрузке прямоугольный сигнал отрицательной полярности со скважностью, равной скважности управляющих импульсов. А если добавить ещё один каскад (с такими же ключами и диодами), работающий в противофазе с первым, то на нагрузке будет чистый минусовой уровень с наносекундными выбросами в моменты переходных процессов, связанных с инерционностью полупроводников. В этом случае, помимо значительного снижения уровня пульсаций выходного напряжения, достигается и эффект удвоения мощности устройства.
Большинство преобразователей, описанных в разнообразных источниках, выполнены на биполярных транзисторах, что не позволяет им достигать высоких значений КПД в связи со значительными величинами токов, требуемых им в цепях управления. Из этих соображений схемы, приведённые ниже, выполнены на ключевых MOSFET транзисторах, а потому при отсутствии нагрузки — имеют потребление тока, близкое к нулю.
Рис.3 Схема преобразования полярности на цифровых КМОП элементах
Схема, изображённая на Рис.3, представляет собой слаботочный инвертор напряжения с выходным током — до 30. 40 мА. Использование в качестве генератора микросхемы триггера шмитта CD4093 (КР1561ТЛ1) позволило снизить собственный ток потребления преобразователя до значений — не превышающих 100 мкА. Микросхемы CD4049 (КР1561ЛН2) представляют собой пару электронных ключей, работающих в противофазе, что обеспечивает низкий уровень пульсаций выходного напряжения, а так же двойную мощность преобразования по сравнению с одиночным ключом (Рис.2). Выбор в качестве диодов D1. D4 диодов шоттки с малым падением прямого напряжения позволило снизить разницу между разнополярными напряжениями до значений 0,5. 0,6В.
Настройка порогов срабатывания РН
Настройка реле защиты от перенапряжения производится после анализа текущего состояния электросети и проводки. Необходимо обратить внимание на такие факторы, как: