Меню

Преобразователь напряжения с регулировкой частоты и напряжения



Схема преобразователя ЧАСТОТА-НАПРЯЖЕНИЕ

Конвертер «частота-напряжение» на LM331

В радиолюбительских схемах бывает необходимость в преобразовании частота — напряжение, например для измерения частоты вольтметром (мультиметром), датчика, реагирующего на изменение частоты и т.п.

Для преобразования частоты в напряжение в данном случае используется микросхема LM331. Входные импульсы должны быть прямоугольными, они через разделительный конденсатор С1 поступают на вход IC1 LM331 (вывод 6). Этот вывод приоткрыт плюсом через резистор R7.

Делитель на резисторах R2 и R3 задает уровень напряжения на выводе 7, — максимальное выходное напряжение. Значение резистора R3 подбирают по формуле: R3 = (Vсс — 2V)/1,9 , где Vсс -напряжение питания, а R3 выражено в килоомах.

Принципиальная схема преобразователя частоты в напряжение на микросхеме LM331

Выходное напряжение (V out) вычисляется по формуле:

Uвых = ((R4 /(R5+R6)) x R1 x C1 x 2,09 x Fвх.

Подстроечным резистором R6 можно подкорректировать выходное напряжение. Преобразователь работает в диапазоне частот: 10Гц — 5 кГц выходное напряжение изменяется: 0,025 до 12,5В.

Номинал R3 зависит от напряжения накопления и план R3= (Vs – 2V) / (2mA). Для Vs = 15В — R3=68k

IC LM331 может работать от напряжения от 5 до 30В постоянного тока.

Потенциометром R6 можно откалибровать схему преобразования.

На основе данной схемы можно собрать электронный тахометр для автомобиля (мотоцикла…), который будет подсчитывать импульсы с датчика холла. На выход можно подключить аналоговый или цифровой вольтметр.

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ

П О П У Л Я Р Н О Е:

Как определить скорость автомобиля и тормозной путь?

Ниже рассматривается небольшая бесплатная программка для расчёта тормозного пути автомобиля при известной скорости и наоборот (можно рассчитать скорость при известном тормозном пути).

Тормозной путь — это расстояние, проходимое транспортным средством от момента привода в действие тормозного устройства до полной остановки.

Полный тормозной путь включает в себя также расстояние, проходимое за время от момента восприятия водителем (машинистом) необходимости торможения до приведения в действие органов управления тормозами.

Кому некогда «заморачиваться» со всеми нюансами зарядки автомобильного аккумулятора, следить за током зарядки, вовремя отключить, чтоб не перезарядить и т.д., можно порекомендовать простую схему зарядки автомобильного АКБ с автоматическим отключением при полной зарядке аккумулятора. В этой схеме используется один не мощный транзистор для определения напряжения на аккумуляторе.

У каждого, наверно завалялся где-нибудь старый не нужный, но годный сотовый телефон.

А ведь из него можно без особых переделок сделать, например: дополнительную надежную сигнализацию для автомобиля в гараже.

Давайте подробнее рассмотрим, как это можно сделать:

Источник

Преобразователи частоты, их виды, достоинства и недостатки, способы управления и применение.

Преобразователи частоты – это электрические устройства, функция которых заключается в регулировании переменного тока стандартной частоты (50 (в России) или 60 (в некоторых других странах) Гц) за счет регулируемого выходного переменного напряжения.

Используют данные устройства для регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей, что открывает для них многие сферы для применения.

Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты можно разделить на два основных вида:

Электромашинные (индукционные) преобразователи наименее распространены. Их используют в тех случаях, когда применение электронных преобразователей частотыневозможно или трудновыполнимо.

Электронные преобразователи частоты

Электронные преобразователи частоты основаны на силовой транзистроной или тиристорной части и микроконтроллеров управления.

Они подразделяются на две группы:

— с непосредственной связью;

— с промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователи частоты с непосредственной связью преобразуют напряжение с помощью участков синусоид питающей сети. Основа таких устройств — это реверсивные теристорные преобразователи, которые, в зависимости от ситуации, могут быть подключены по встречно-параллельной, нулевой, мостовой или перекрёстной схемам. Количество теристорных комплектов зависит от количества фаз сети. Так, для трёхфазной сети требуется три комплекта теристоров.

Структурно такие преобразователи можно изобразить следующим способом:

Где ЗУ – это задающее устройство; СИФУ – система импульсно-фазового управления; РВГ – реверсивная вентильная группа.

На следующем рисунке представлена принципиальная схема преобразователей частоты с непосредственной связью:

Комплекты теристоров делятся на анодные и катодные группы. По ходу их последовательной работы на выходе формируется необходимая частота.

Д остоинства и недостатки:

Непосредственные преобразователи частоты обладают своими особенностями, обусловленными строением и принципом работы.

К достоинствам данных устройств относятся:

1. Дешевизна. Относительно простая структура позволяет непосредственным преобразователям частоты быть более доступными.

2. Коэффициент полезного действия. Относительно высокий коэффициент полезного действия, который также зависит от простоты принципа работы, при котором электрическая энергия преобразуется лишь единожды.

3. Рекуперация. Такие устройства позволяют реализовывать и двигательные, и тормозные режимы работы привода.

4. Мощность. Посредством присоединения дополнительных комплектов преобразователей можно достигнуть сколь угодную мощность.

5. Возможность достижения широкого диапазона низких частот при сохранении стабильных вращений двигателя.

6. Удобство. Блочно-модульная конструкция позволяет эксплуатировать систему с меньшими трудо- и времязатратами.

Однако, имеются и недостатки:

1. Диапазон частот на выходе. Наряду с широким выбором низких частот непосредственные преобразователи частоты могут работать лишь на понижение, причём получаемая частота не превышает половины частоты питающей сети.

2. Помехи. Наличие в преобразуемом напряжении субгармоник и постоянных составляющих создаёт помехи и перегревает двигатель.

3. Многоэлементность структуры силовой части эффективна лишь для относительно больших мощностей, что сужает область применения данных устройств.

Читайте также:  Регулировка привода стояночного тормоза приора

Исходя из вышеперечисленного, непосредственные преобразователи частоты, в основном, заняли нишу асинхронных и синхронных приводов средней и большой мощностей с малыми скоростями.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Наиболее распространены преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Выпрямитель в их составе преобразует переменный ток в постоянный, фильтр сглаживает его, а далее ток преобразуется в переменный через инвертор. Такое техническое решение позволяет получать на выходе частоты любых диапазонов – и пониженные, и повышенные.

Структурно, такое устройство выглядит следующим образом:

Источник

Частотный преобразователь с однофазным входом — что это и для чего нужно?

В каждой мастерской используется станок или другое оборудование для работы, будь то компрессор, дедовское «точило», сверлильный станок или «токарник». Но есть одна проблема: чаще всего в станках используют трёхфазные асинхронные электродвигатели, а в мастерских и гаражах зачастую однофазное электроснабжение. Поэтому такие двигатели подключают к сети с помощью фазосдвигающих конденсаторов.

Но такое решение приводит к двукратному снижению мощности, а запуск двигателя под нагрузкой происходит тяжело, могут и автоматы сработать. Решить эту проблему можно с помощью частотного преобразователя.

Немного теории

Частотным преобразователем называется источник питания, на выходе которого формируется переменное напряжение с регулируемой частотой. Для чего он нужен? Дело в том, что обороты ротора асинхронного двигателя связаны с частотой питающей сети, и рассчитываются по формуле:

Для уменьшения оборотов можно ввести в цепь статора какой-либо балласт, например, дополнительное сопротивление или автотрансформатор, в этом случае уменьшается напряжение на обмотках двигателя, но, снижается момент на валу, простыми словами — двигатель будет крутить слабее и ухудшатся характеристики.

На рисунке ниже вы видите механические характеристики асинхронного двигателя с разным напряжением питающей сети, где вертикальная ось – обороты, а горизонтальная – момент. На нем видно, что с уменьшением напряжения снижается момент (в этом случае он прямо пропорционален квадрату напряжения.). Такое решение допустимо для двигателей, приводящих в движения вентилятор, а для использования в станках, инструментах и других механизмах оно не подходит.

Это значит, что для изменения оборотов исполнительного механизма (шпинделя станка, скорости намотки троса грузоподъемного механизма и т.д.) можно использовать редукторы и ременные передачи, но если нужно плавно изменять (регулировать) число оборотов во время работы, то такой способ уже не подходит.

Для регулировки оборотов асинхронного двигателя лучше всего подойдет частотный преобразователь, а в электротехнике такое решение называют «частотно-регулируемый электропривод». С его помощью можно регулировать частоту вращения вала в широких пределах, а механические характеристики остаются жесткими — момент на валу слабо изменяется, или вообще не изменяется.

Стоит отметить и то, что при изменении частоты изменяется и напряжение, это связано с тем, что с ростом частоты увеличивается индуктивное сопротивление, а с понижением — уменьшается. Соответственно ток через обмотку изменяется, и если не изменять напряжение — в области низких частот двигатель перегреется и сгорит. Изменение напряжения может быть линейным и описываться соотношением U/F=const, или нелинейным, что зависит от типа частотного преобразователя.

Итак, подведем краткие итоги:

  • Асинхронные двигатели при подключении к однофазной сети работают «вполсилы».

2. Регулировать его обороты лучше всего изменением частоты питающей сети.

3. Частотный преобразователь позволяет изменять частоту и напряжения питания на обмотках электродвигателя.

Виды регулирования (скалярное и векторное) в пределах этой статьи рассматриваться не будут.

Частотные преобразователи с однофазным входом

Современной промышленностью выпускаются частотные преобразователи с однофазным входом, мощностью до 5.5 кВт (реже встречаются и до 7 кВт). Их основная особенность — это входное однофазное напряжение 220В, а выходное — трехфазное 220В. Именно линейное 220 вольт. Незнание этого факта введет вас в заблуждение при покупке таких товаров на алиэкспресс (или в других китайских магазинах с машинным переводом названий товаров). Дело в том, что частотные преобразователи не повышают выходное напряжение до 380В, они могут только понижать в соответствии с установленной частотой.

Некоторые частотные преобразователи можно подключать и к однофазной и к трёхфазной сети, возможность такого подключения лучше уточнять в инструкции , поскольку в некоторых приборах срабатывает защита при «однофазном» включении.

Это значит, что к 220В частотным преобразователям нужно подключать двигатель соответствующим образом. Рассмотрим несколько вариантов:

  • Если это старый трёхфазный двигатель и у него на шильдике указано номинальное напряжение 127/220 — его обмотки подключаются по схеме звезды .

2. Если на шильдике двигателя указано номинальное напряжение 220/380 — его обмотки соединяют по схеме треугольника .

3. Если двигатель рассчитан на 380/660В — его, вообще, не нужно подключать к таким частотным преобразователям, они рассчитаны на подключении к трёхфазной сети напряжением 380В по схеме треугольника, а зачастую при пуске их обмотки соединяют звездой для уменьшения пусковых токов.

Итак, вы можете подключить трёхфазный двигатель к однофазной сети через частотный преобразователь, и он будет отдавать свою паспортную мощность.

Что они умеют?

Итак, теперь давайте поговорим о том, какими возможностями обладает современный частотный преобразователь:

— Плавный пуск. Функция плавного пуска позволяет запускать двигатели под нагрузкой без пусковых токов, которые при прямом включении могут перегрузить проводку и привести к срабатыванию автоматических выключателей.

Читайте также:  Карбюраторы вебер устройство ремонт регулировка

— Реверс. Возможность изменять направления вращения двигателя без использования двух пар контакторов – одна из полезных функций, без которой нельзя представить работу токарного станка.

— Быстрая остановка двигателя.

— Возможности подключения выносных пультов для дистанционного включения, выключения, реверсирования и регулировки оборотов. В большинстве частотных преобразователей есть клеммы для подключения дополнительных органов управления, которые будут полезны, если прибор установлен где-то в закрытом щите и доступ к его основной панели управления затруднен или невозможен. В качестве органов управления могут использоваться кнопки или переменный резистор (для плавной регулировки, он подключается к аналоговому входу).

Как подключаются?

Схема подключения хоть и отличается в каждом конкретном преобразователе, но, в общих чертах, она подобна, ниже приведена схема из инструкции к Schneider Electric ATV12.

Пояснения к схеме:

(1) Контакты реле R1, индикация состояния преобразователя частоты.

(2) Внутренний источник питания +24В DC. При использовании внешнего источника питания (30В максимум) выход 0В источника питания подключается к клемме COM преобразователя частоты. При этом клемма «+24V» преобразователя частоты не используется.

(3) Каталожный номер потенциометра SZ1RV1202 (2.2 кОм) или аналогичный (максимальное значение 10 кОм).

(4) Дополнительное оборудование: тормозной модуль VW3A7005.

(5) Дополнительное оборудование: тормозное сопротивление VW3A7ppp или иное с аналогичными характеристиками. Допустимые значения параметров тормозных сопротивлений приведены в каталоге.

К разъёмам LI1, LI2, LI3, LI4 подключаются кнопки «Вперед», «Назад», «Стоп» и пр. (настраивается).

— Для всех цепей с индуктивностями вблизи преобразователей частоты необходимо использовать ограничители перенапряжений (реле, контакторы, электромагнитные клапана и т.д.).

— Клемма заземления (винт с зеленой головкой) расположена на противоположной стороне клеммника по сравнению с ATV11, см. наклейку со схемой подключения.

Из этой схемы видно, что эта серия преобразователей частоты выпускается в разных исполнениях, которые рассчитаны на подключение как к однофазной сети, так и к трёхфазной с линейным напряжением 200-240В. Нас интересует вторая схема подключения питания «ATV12…M2». На самом приборе расположена и наклейка, с уменьшенной версией этой схемы, но она будет полезна при монтаже.

Заключение

На сегодняшний день стоимость частотного преобразователя с однофазным входом и трёхфазным выходом начинается в среднем от 100 долларов. Это немалая сумма для повсеместного применения, но для стабильного запуска и работы компрессора или работы токарного станка с полной отдачей мощности – не слишком и дорого. Кроме возможностей регулировки частоты и изменения направления вращения большинство частотных преобразователей позволяют использовать различные средства защиты двигателя, например, от перегрева и других неисправностей.

Источник

Преобразователи напряжение-частота

Преобразователи напряжение—частота ПНЧ (Voltage-to-Frequency Converters VFC) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ — отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.

ПНЧ относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения, отсутствием дифференциальной нелинейности.

ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра — частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота—код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением. Если этот интервал сделать кратным периоду основной помехи (20 мс), то помеха подавляется полностью. Это свойство особенно полезно для измерения зашумленных низкоуровневых сигналов, например э.д.с. термопары.

В интегральных микросхемах ПНЧ используется метод интегрирования входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора. Для получения высокой точности и стабильности преобразования необходимо обеспечить постоянство вольт-секундной площади импульса обратной связи. Лучшей точностью и стабильностью обладают синхронизируемые ПНЧ, в которых длительность импульса обратной связи стабилизирует кварцевый резонатор.

Несинхронизируемые ПНЧ

Отечественная промышленность выпускает несинхронизируемый ПНЧ типа КР1108ПП1 и аналогичный КР1143ПП1. Их зарубежные аналоги, совместимые по выводам — ADVFC32 фирмы Analog Devices, VFC32 и VFC320 фирмы Burr-Brown. Упрощенная функциональная схема такого ПНЧ показана на рис. 1. ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, С1, А1 образуют интегратор. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t = kC2, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением VIN

Рис. 1. Типовая схема включения и диаграммы сигналов ПНЧ VFC32

Из (1) следует, что стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров k, I микросхемы. Кроме того, для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатор С1 необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистирольный, поликарбонатный).

Диапазон входных токов задается равным 0,25I, а резистор R1 устанавливает входной диапазон напряжения от 0 до VINmax = 0,25IR1.

ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Допустимый ток его достаточен для управления светодиодом оптрона или обмоткой импульсного трансформатора в схемах гальванической изоляции аналоговых входов.

Читайте также:  Регулировка противотуманных фар соната тагаз

С помощью рассматриваемого ПНЧ можно преобразовывать отрицательные напряжения, но для этого нужно изменить подключение входного сигнала. Иными словами, прямое преобразование биполярных сигналов не предусмотрено.

При расширении диапазона изменения выходной частоты все заметнее проявляется конечное время переключения аналоговых ключей, что выражается в интегральной нелинейности преобразования. Ее минимальная погрешность (0,01 %) достигается в узком диапазоне частот 0–10 кГц. В расширенном диапазоне выходных частот (0–500 кГц) погрешность нелинейности увеличивается до 0,2 %.

Еще один популярный ПНЧ — AD654 фирмы Analog Devices (рис. 2) — имеет следующие отличительные особенности: питание от одного источника напряжения 5 В, ток потребления 2 мА, высокое входное сопротивление (250 МОм), малые смещение (1 мВ) и дрейф нуля (4 мкВ/°С), небольшие начальное отклонение (±10 %) и температурный дрейф коэффициента преобразования (50*10 -6 /°С). Микросхема требует всего два внешних элемента RT и CT для задания характеристики преобразования:

Рис. 2. Схема включения AD654 с изолированным выходом

Максимальная частота может быть установлена до 500 кГц при динамическом диапазоне 80 дБ (диапазон входного тока — от 100 нА до 1 мА). С помощью RT диапазон входных напряжений можно устанавливать от 10 мкВ – 100 мВ до 3 мВ – 30 В.

Входной усилитель позволяет работать напрямую с малыми сигналами термопары или тензодатчика. Выходной каскад AD654 согласуется с КМОП- и ТТЛ-схемами, управляет светодиодом оптрона, работает на длинный кабель.

Синхронизируемые ПНЧ

Точность ПНЧ определяется точностью вольт-секундной площади импульса обратной связи, поэтому вместо одновибратора в синхронизируемых ПНЧ длительность импульса обратной связи формируется равной периоду опорной частоты тактового генератора с кварцевой стабилизацией.

Рассмотрим микросхемы AD7741 / AD7742 (рис. 3, 4), заявленные фирмой Analog Devices как новое поколение синхронизируемых ПНЧ.

Рис. 3. Типовая схема включения AD7741

Рис. 4. Схема включения AD7742

AD7741 — это одноканальная версия в 8-выводном корпусе (DIP/SOIC), а AD7742 — многоканальная в 16-выводном (DIP/SOIC). Микросхема AD7741 имеет один буферизированный вход и работает с однополярным входным напряжением в диапазоне 0–VREF. AD7742 имеет четыре буферизированных входа, которые могут быть использованы как два дифференциальных или три псевдодифференциальных для работы с дифференциальным входным сигналом в диапазоне ±VREF/GAIN.

AD7742 имеет вход GAIN установки коэффициента усиления 1 или 2 и вход UNI/BIP задания униполярного/биполярного преобразования. Обе микросхемы содержат встроенный источник опорного напряжения VREF = +2,5 В, но предоставляют пользователю возможность подключать внешний источник. Обе питаются напряжением +5 В, потребляя ток 6 мА. Микросхемы также содержат блок логики понижения энергопотребления, который позволяет снизить потребление тока до 35 мкА в «спящем» режиме.

Входной сигнал через усилитель подается на емкостной модулятор, который преобразует входное напряжение в выходную последовательность импульсов фиксированной длительности. Выходной импульс генерируется по фронту сигнала тактового генератора (рис. 5). Длительность выходного импульса равна длительности тактового, а задержка между фронтом последнего и фронтом импульса на выходе обычно составляет 9 нс.

Рис. 5. Многоканальное аналого-цифровое преобразование с использованием синхронизируемых ПНЧ

Характерной особенностью AD7741/AD7742 является смещенный диапазон выходной частоты: нижней границе входного диапазона соответствует выходная частота 0,05FCLKIN, а верхней — 0,45FCLKIN (рис. 6). Таким образом, диапазон выходной частоты составляет 0,4FCLKIN. Максимально допустимая частота тактового генератора — 6 МГц.

Рис. 6. Характеристика преобразования: а) AD7741, б) AD7742 в биполярном режиме

Выход обеспечивает КМОП-уровни и позволяет подключать одну ТТЛ-нагрузку. Для управления светодиодом оптопары требуется усилитель или специальная схема с входным током менее 1,6 мА.

Удобно использовать ПНЧ совместно с микроконтроллерами, имеющими встроенные таймеры/счетчики. В восьмиканальном модуле ввода аналоговых сигналов AIN8 комплекса Decont производства АОЗТ «ДЭП» [2] применен PIC-процессор. На встроенный счетчик сигналы с выходов ПНЧ подаются по очереди через мультиплексор.

Одновременное многоканальное преобразование требует большого числа счетчиков. Реализовать массив счетчиков со схемой управления и выходом в магистраль микропроцессора можно в программируемой логической интегральной схеме, как это сделано в модуле аналоговых сигналов A16 производства АО «ТЕКОН» (Москва).

Большинство микросхем ПНЧ могут быть использованы для обратного преобразования «частота—напряжение» (ПЧН). Рисунок 7 иллюстрирует включение VFC32 для работы в режиме интегрирующего ЦАП, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению частоты входного сигнала. ПЧН полезны в схемах гальванической развязки аналоговых сигналов, в тахометрах, в электроприводе, в телеметрии.

Рис. 7. Схема включения VFC32 в режиме ПЧН

Для электронных счетчиков электроэнергии созданы преобразователи произведения двух напряжений в частоту следования импульсов [3], например AD7750.

Микросхемы ПНЧ ведущих фирм производителей электронных компонентов для аналого-цифрового преобразования:

  • Analog Devices (AD537, AD650, AD652, AD654, ADVFC32, AD7741, AD7742, AD7750);
  • Burr-Brown (VFC32, VFC320, VFC100, VFC101, VFC110, VFC121);
  • National Semiconductor (LM231, LM331);
  • TelCom (TC9400, TC9401, TC9402);
  • ПО «Альфа», г. Рига (КР1108ПП1).

При выборе ПНЧ следует учитывать:

  • количество внешних компонентов, требования к их качеству, цену;
  • точность ПНЧ (характеризуется интегральной нелинейностью, смещением и дрейфом нуля, смещением и дрейфом коэффициента преобразования);
  • диапазон выходной частоты (Df = fmax – fmin) для получения требуемой разрешающей способности за время измерения;
  • входное сопротивление или входной ток для согласования с датчиками;
  • энергопотребление (количество и уровни напряжений питания, ток потребления);
  • возможность прямого подключения оптрона к выходу ПНЧ.

Источник

Adblock
detector