Как получить переменный ток в катушке
Доброго времени суток!
Нужно получить переменный ток (достаточно меандр, синус не обязательно), с регулируемой частотой из постоянного напряжения.
Есть источник постоянного напряжения +V. Есть микроконтроллер, выдающий импульсы нужной частоты F, напряжением 5 вольт. Нужно получить переменный ток, меняющий напряжение от -V до +V, с этой самой частотой F.
Диапазон рабочего напряжения V от 5 до 24 вольт.
Ток, отдаваемый в нагрузку не более 5 ампер.
Диапазон частоты от 1 кгц до 1 мгц.
Нагрузка индуктивная.
Первым делом на ум приходит классическая схема полного моста на четырёх полевых транзисторах. Даже готовых модулей полно, но они как правило рассчитаны на управление двигателями постоянного тока, и не хотят переключать полярность с высокой частотой. Как я понимаю, проблема в скорости закрытия ключей. Заряд на затворе пропадает медленно, и для предотвращения сквозного тока вводят «мёртвое время», в течение которого все ключи закрыты. Лучшие готовые модули, которые мне удалось найти, позволяют добиться частоты порядка 100 кгц.
Собственно вопрос: как разогнать мостовую схему?
Выбрать быстрые транзисторы? Допустим. Есть ведь транзисторы, работающие даже на гигагерцовых частотах, по идее мой один мегагерц это не так много. Следом потребуется быстрый драйвер моста, а вот его мне найти не удаётся.
Уйти от готового драйвера моста, и брать отдельные драйвера для каждого плеча, или каждого ключа? Если это поможет, то посоветуйте номенклатуру, и может типовую схему включения.
Или может не нужны готовые микросхемы драйверов, и можно управлять транзисторами напрямую от логического уровня? Тогда просветите, как это можно сделать.
Или в конце концов возможно мост это не лучшее решении задачи? Тогда что лучше?
Приоритет простой: чем быстрее можно реализовать, тем лучше. Если есть готовый модуль, который можно купить например на али — это наилучший вариант. Если можно купить готовый модуль, и модифицировать — тоже неплохо. Ну и в крайнем случае собирать схему с нуля.
Заголовок сообщения: Re: Помогите получить переменный ток высокой частоты
Добавлено: Вс ноя 10, 2019 19:03:20
На вскидку.
Высоковольтный операционный усилитель со смещением. Обратной связью этого же усилителя регулировка выходного напряжения. Дальше усилитель тока.
Заголовок сообщения: Re: Помогите получить переменный ток высокой частоты
Добавлено: Вс ноя 10, 2019 19:33:24
| Открыл глаза |
Диапазон частот — три декады. Это очень широкий диапазон. Вы хотите закачивать в нагрузку 100 Вт. Нужно понять параметры нагрузки. Желательно представить примерную эквивалентную LRC схему нагрузки с параметрами элементов (или хотя бы их диапазонами). Иначе сложно что-то обсуждать.
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Заголовок сообщения: Re: Помогите получить переменный ток высокой частоты
Добавлено: Вс ноя 10, 2019 19:43:55
Не надо так всерьёз воспринимать описанную задачу.
Качественное и безопасное устройство, работающее от аккумулятора, должно учитывать его физические и химические свойства, профили заряда и разряда, их изменение во времени и под влиянием различных условий, таких как температура и ток нагрузки. Мы расскажем о литий-ионных аккумуляторных батареях EVE и нескольких решениях от различных китайских компаний, рекомендуемых для разработок приложений с использованием этих АКБ. Представленные в статье китайские аналоги помогут заменить продукцию западных брендов с оптимизацией цены без потери качества.
Заголовок сообщения: Re: Помогите получить переменный ток высокой частоты
Добавлено: Вс ноя 10, 2019 23:23:39
Суть — нужно накачать первичную обмотку воздушного трансформатора, то есть передать энергию с одной катушки индуктивности на другую на некотором расстоянии через воздух / диэлектрик. Задача не относится к баловству с резонансными эффектами и тому подобными модными увлечениями, а имеет совершенно прикладной характер — запитать нагрузку без проводов.
Опыты в малом масштабе получаются вполне успешно. Использую лабораторный генератор сигнала напрямую на передающую катушку. Выяснил, что наибольшая эффективность передачи получается именно при переменном токе, то есть когда ток в катушке не просто то есть то нет, а течёт сначала в одном направлении, затем в другом. По сути мы таким образом уплотняем передаваемую энергию вдвое, разгоняя вторичный колебательный контур не только «туда», но ещё и «обратно».
Можно конечно работать с импульсами постоянного тока, что в разы проще, но тогда для того чтобы снять ту же полезную мощность со вторичной катушки, придётся значительно поднимать напряжение и закачивать большую мощность в первичную.
Мне нужно будет снимать на нагрузку не менее 5 ватт на вторичной катушке. В моих экспериментах у меня КПД едва дотягивает до 20% в идеальных условиях, когда поймано наилучшее взаимное расположение, и так далее. Для реального изделия нужно иметь запасы, по этому я и заложил 100 ватт на стороне передачи, чтобы гарантировано снять не менее 5 ватт при не самых лучших условиях.
Что касается частоты: понимаю, что диапазон очень широкий. На практике, реальное устройство будет работать на фиксированной частоте, и если даже пойдёт речь о серийном производстве — частота между экземплярами и различными разновидностями будет отличаться не так сильно. Но на стадии разработки и экспериментов хотелось бы иметь хорошие запасы во все стороны.
Надеюсь теперь задачу объяснил яснее.
Катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока
Как ведет себя катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока?
Катушка индуктивности в цепи постоянного тока
Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания, который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.
Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:
Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:
Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра:
Теперь собираем все это вот по такой схеме:
L — катушка индуктивности
La — лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт
Bat — блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт
Как вы помните из прошлой статьи, конденсатор у нас не пропускал постоянный электрический ток:
Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.
Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится осциллограф, генератор частоты, собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом. Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.Он у меня будет в качестве шунта. Падение напряжения на этом резисторе будет зависеть от тока, протекающего через него
Собираем все это дело по такой схеме:
Получилось как то так:
Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал — желтым. Следовательно, красная синусоида — это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида — это сигнал, который снимается с резистора.
Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток. В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.
Опыт N1
Для начала подаем сигнал с частотой в 1 Килогерц.
Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф
Красный кружок с цифрой «1» — это замеры «красного»канала. Как мы видим, F (частота) =1 Килогерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой «2». F=1 Килогерц, а Ма=1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.
Увеличиваем частоту до 10 Килогерц
Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.
Увеличиваем до 100 Килогерц
Заметили разницу? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется сдвиг фаз. Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.
Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:
Увеличиваем частоту до 200 Килогерц
На частоте 200 Килогерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.
Увеличиваем частоту до 300 Килогерц.
Амплитуда желтого сигнала упала уже до 720 милливольт. Разность фаз стала еще больше.
Увеличиваем частоту до 500 Килогерц
Амплитуда уменьшилась до 480 милливольт.
Добавляем еще частоту до 1 Мегагерц
Амплитуда желтого канала стала 280 милливольт.
Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 Мегагерца
Амплитуда «желтого» сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить в 5 раз.
И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.
Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:
Так какой вывод можно сделать?
С увеличением частоты сопротивление катушки растет, а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.
Опыт N2
Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микрогенри.
Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты
При частоте в 1 Килогерц у нас значение почти не изменилось.
Здесь тоже ничего не изменилось.
Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонько сдвигаться.
Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.
Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше
Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.
Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. 😉
2 Мегагерца, предел моего генератор частоты
Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.
Обратите внимание на амплитуду в Вольтах на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.
Отсюда вывод напрашивается сам собой:
При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.
Реактивное сопротивление катушки индуктивности
С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:
П — постоянная и равна приблизительно 3,14
В данном опыте мы с вами получили фильтр низких частот (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда и мощность на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.
Видео про катушку индуктивности:
Заключение
Постоянный ток протекает через катушку индуктивности без каких-либо проблем. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.
Сопротивление катушки зависит от частоты протекающего через нее тока и выражается формулой:
Конспект урока: «Переменный ток «Получение переменного тока вращением катушки в магнитном поле»
Ø стимулирование познавательной активности через использование элементов ИКТ.
Тип урока: изучение нового материала
Форма урока : комбинированная
Методы: эвристический, частично-поисковый
Оборудование:
1) демонстрационное лабораторное — катушка дроссельная, постоянный магнит, гальванометр, соединительные провода;
2) ИКТ : компьютер, медиапроектор
Средства: презентация;
Структура урока:
1. Оргмомент
Учитель: Здравствуйте.
Сегодня мы с вами путем поиска, делая открытия, изучим принцип получения переменного тока не в масштабах класса или лаборатории, а в промышленных масштабах с помощью индукционного электромеханического генератора. (слайд № 1 – тема урока)
Давайте вместе выделим главное, что мы можем узнать:
· понятие переменного тока;
· что это такое – электромеханический индукционный генератор?
· принцип получения переменного электрического тока;
· применение переменного тока.
(открывается слайд № 2- задачи для учащихся)
2. Актуализация темы.
Учитель: на предыдущих уроках, изучая свойства магнитного поля, мы с вами узнали и изучили открытия, сделанные в первой половине XIX века. Не могли бы вы напомнить, с чьими именами связаны эти открытия?
(Ханса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея).
Хорошо. (открывается слайд №3 — портреты) В чем же заключались эти открытия?
(Ханс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка реагирует на проводник, по которому течет ток, т.е. электрический ток действует на магнитное поле).
(А Фарадей через несколько лет после открытия Эрстеда опубликовал результаты своих опытов, в которых под действием изменяющегося магнитного поля возникал электрический ток).
Учитель : Это в теории. А кто бы мог продемонстрировать опыты Фарадея? Кто желает?
(на столе в относительном беспорядке нужные и ненужные приборы. Требуется выбрать необходимое и продемонстрировать опыт)
Ученик 1 : собирает простую цепь из дроссельной катушки и демонстрационного гальванометра. Показывает, что при опускании на катушку магнита стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону, а при подъеме – в другую. Комментирует свой опыт: катушка (проводник) находится в покое, магнит перемещается относительно катушки, возникает переменный ток. (Переменный ток потому, что стрелка колеблется, показывая изменение направления движения зарядов в катушке)
Учитель : Спасибо. Может быть, существует другой способ получения переменного тока?
Ученик 2 : Есть. Идет к столу, показывает: магнит лежит на столе, перемещается вверх-вниз катушка. Стрелка гальванометра отклоняется так же, как и в предыдущем опыте. Ученик комментирует свой опыт: постоянный магнит находится в покое, проводник (катушка) движется относительно магнита. Возникает переменный электрический ток.
Учитель. Подведем итоги: (открывается слайд № 4 построчно)
· Что происходит с катушкой? (катушку пронизывает магнитный поток)
· В каком случае возникает переменный ток? (когда катушку пронизывает изменяющийся магнитный поток)
· А зависит ли появление переменного тока от способа изменения магнитного потока? (Нет)
Учитель. Ребята, скажите, что человечество получило от этих открытий?
· да ничего особенного…
3. Объяснение
Учитель: Чтобы можно было ответить, что же дало человечеству открытие Майкла Фарадея, посмотрим анимацию. Но не просто будем смотреть, а будем работать. Предлагаю вам с помощью анимации решить небольшую задачу – ответить на мои вопросы. Пожалуйста, прочтите их. А теперь смотрим. Показывает анимацию из «Библиотеки электронных наглядных пособий»
Учитель .
· Какие вы встретили затруднения? (если требуется, повторяет «трудные» кадры);
· Давайте теперь ответим на вопросы. (ученики отвечают) Ребята, предлагаю вам необычное дополнительное домашнее задание (тем, кому интересно и кто желает): поискать в учебной литературе, подумать самим, а, может, просто спросить у старших: почему бытовая техника производства США в наших условиях быстро выходит из строя?
· А теперь я предлагаю вам озвучить текст анимации. (1-2 ученика озвучивают текст)
4. Закрепление.
Учитель: Спасибо.
· Как вы думаете, чего бы мы лишились, если бы не было открытия электромагнитной индукции? (переменного тока в квартире, не было бы телевизоров, видео. )
· Теперь, когда вы уже много узнали, думаю, что сможете справиться с коротким тестом из 5 заданий. Ребята, карточки теста уже лежат у вас на столе.
Выполнение теста. Цифровая проверка (код на слайде № 5). (Выставление оценок). Коррекция
5. Подведение итогов.
Учитель: давайте вернемся к цели, которая стояла перед нами в начале урока (слайд № 6):
· понятие переменного тока и индукционного генератора;
· способ получения переменного тока;
· применение переменного тока.
Учитель:
· сумели ли мы ответить на все вопросы?
· какой вопрос вызвал у вас интерес?
· скажите, пожалуйста, какая задача вызвала затруднения?
6. Домашнее задание: Учитель. Ребята, запишите, пожалуйста, домашнее задание (слайд № 7).
a. (для всех) прочитать §50,
b. выполнить Δ40 кто желает (инструктаж):
1.6 Прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью.
Быстрое изменение силы тока и его направления, характеризующие переменный ток, приводит к ряду важнейших особенностей, отличающих действие переменного тока от постоянного.
Рассмотрим прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью.
В цепи есть катушка из медной проволоки с большим числом витков, внутрь которых помещен железный сердечник.
Рис. 3. Лампочка включена в цепь постоянного (а) и переменного (б) тока. Последовательно с лампочкой включена катушка. При постоянном токе лампочка горит ярко, при переменном тускло.
Как известно, такие катушки обладают большой индуктивностью. Сопротивление такой катушки при постоянном токе будет невелико, так как она сделана из довольно толстой проволоки. В случае постоянного тока (рис 300, а) лампочка горит ярко, в случае же переменного тока (рис 300,б) накала почти незаметно. Опыт с постоянным током понятен: так как сопротивление катушки мало, то присутствие ее почти не изменяет тока, и лампочка горит ярко. Почему же катушка ослабляет переменный ток? Будем постепенно вытягивать из катушки железный сердечник. Мы обнаружим, что лампочка накаливается все сильнее и сильнее, т.е. что по мере выдвижения сердечника ток в цепи возрастает. При полном удалении сердечника накал лампочки может дойти почти до нормального, если число витков катушки не очень большое. Но выдвижение сердечника уменьшает индуктивность катушки. Таким образом, мы видим, что катушка с малым сопротивлением, но с большой индуктивностью, включенная в цепь переменного тока, может значительно ослабить этот ток.
Влияние катушки с большой индуктивностью на переменный ток также легко объяснить. Переменный ток представляет собой ток, сила которого быстро изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь. При этих изменениях в цепи возникает э.д.с. самоиндукции, которая зависит от индуктивности цепи. Направление этой э.д.с. таково, что ее действие препятствует изменению тока, т.е. уменьшает амплитуду тока, а следовательно, и его действующее значение. Пока индуктивность проводов мала, эта добавочная э.д.с. тоже мала и ее действие практически не заметно. Но при наличии большой индуктивности эта добавочная э.д.с. может значительно влиять на силу переменного тока.
2.1. Явление самоиндукции
Протекание электрического тока в проводниках связано с появлением магнитного поля, величина которого в соответствии с законом Био—Савара—Лапласа для бесконечно тонких в поперечном сечении проводников определяется соотношением:
где dB — вектор индукции магнитного поля, создаваемого элементами тока dI в точке, определяемой радиусом вектора r при силе тока I.
Если проводник с током расположен по периметру некоторого замкнутого контура с площадью S, ток в контуре создает пронизывающий этот контур магнитный поток , причем
где dS – элемент площади контура.
Кинетическая энергия движущихся зарядов в проводнике связана с энергией созданного током магнитного поля. Поэтому при всяком изменении тока в контуре, связанном с изменением скорости движения электрических зарядов, пропорционально меняется и энергия магнитного поля. Известно, что ток I в контуре и создаваемый им полный магнитный поток через контур пропорциональны друг другу:
где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура.
Для описания магнитного поля в физической среде, способной взаимодействовать с этим полем, вводится векторная величина Н, называемая напряженностью магнитного поля. В случае однородной среды векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля связаны между собой соотношением:
где 0 — магнитная постоянная в вакууме, а — относительная магнитная проницаемость среды.
В общем случае величина и зависит от Н и поэтому величина L является функцией I.
На практике единичный контур с током не применяют, поскольку создаваемый им магнитный поток мал. Для получения требуемых параметров магнитного поля приходится применять большое количество контуров с током (катушки с большим числом витков). В силу принципа суперпозиции величина магнитного потока (а, следовательно, индуктивность) оказывается пропорциональной квадрату числа витков.
Физическое устройство, содержащее витки проводника, охватывающие некоторый сердечник, применяется в электротехнике как элемент физической цепи, способный запасать энергию магнитного поля, — индуктивное сопротивление.