Преобразование электрической энергии

Задачи преобразования энергии приходится решать всякий раз, когда имеющийся некоторый первичный источник электрической энергии не может быть непосредственно использован. Например, первичный источник – электрическая сеть 220 В, 50 Гц, а требуется получить постоянное напряжение для питания компьютера; первичный источник – фотоэлементы космического корабля, вырабатывающие постоянное напряжение, а для питания разнообразной бортовой аппаратуры требуется широкая номенклатура источников как постоянного, так и переменного напряжения; это источники бесперебойного питания, которые, потребляя энергию от резервных аккумуляторов, при исчезновении переменного напряжения в «сети» автоматически заменяют последнюю, предотвращая потерю оперативной информации в компьютерах, и т. д.

По сути, могут иметь место следующие преобразования энергии:

· переменного напряжения в постоянное (выпрямители);

· постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (преобразователи постоянного напряжения);

· постоянного напряжения в переменное напряжение любой формы (инверторы);

· переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (преобразователи частоты).

Для выпрямления необходим нелинейный элемент с преимущественно односторонней проводимостью. Пусть, например, необходимо «выпрямить» переменное напряжение

U = U_mcosw t.

Возьмем в качестве нелинейного элемента квадратор, связь «вход-выход» которого описывается уравнением

U₂ = a (U₁)².

Принимая U₁=U_mcos w t, на выходе квадратора получаем

.

Полезная составляющая операции выпрямления – это постоянная составляющая

,

которую можно выделить, подавив с помощью фильтра переменную составляющую

Рис. 1.20. Временные диаграммы процесса выпрямления

Описанный выше процесс выпрямления можно наглядно проиллюстрировать диаграммами (рис. 1.20).

Инвертирование электрической энергии с целью снижения потерь (обеспечения высокого КПД) практически всегда осуществляется с помощью ключевых элементов.

Простейший инвертор – это ключ, который с нужной периодичностью подключает нагрузку к первичному источнику постоянного напряжения (рис. 1.21, а).

а б

Рис. 1.21. Схема простейшего инвертора (а)
и временная диаграмма напряжения в нагрузке (б)

Остальные виды преобразователей являются комбинацией выпрямителей и инверторов. Преобразовательная техника, связанная со скоростными коммутациями токов в сотни – тысячи ампер и напряжений в тысячи вольт, является сложнейшей революционно развивающейся областью современной электроники, называемой промышленной электроникой,и изучается в специальных курсах.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие задачи решает электроника?

2. Какие способы представления электрических сигналов вы знаете?

3. Какие виды преобразования электрических сигналов наиболее часто встречаются в электронных устройствах?