Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали.

Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм).

Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

• электронная схема подает сигнал на затвор симистора,
• затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя,
• тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления,
• в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках,
• реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

• компактные габариты,
• увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
• быстрота и независимость от частоты сети,
• мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

• снижение долговечности механизма,
• искрение между и коллектором и щетками,
• повышенный уровень шумов,
• большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Универсальный коллекторный двигатель устройство и принцип действия

Конструкция универсального электродвигателя

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением .

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

• Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
• Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

• Якорь. Состоит из металлического вала, на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
• Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

• Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
• Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

• Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
• Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
• Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

• Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
• Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
• Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести к выходу его из строя.

• Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

Коллекторный и бесколлекторный двигатели — Green-Battery

В ассортименте продукции Greenworks есть инструменты с коллекторным (щёточным) и бесколлекторным (бесщёточным) двигателями. Но везде делается акцент только на бесколлекторном электродвигателе. Почему только на нём, и для чего тогда устройства с щёточным? Расскажем в данной статье преимущества и недостатки каждого электродвигателя и ответим на эти два вопроса.

Коллекторный двигатель

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

Плюсы:

• Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
• Конструкция относительно проще конструкции БД.
• В виду этого, техническое обслуживание проще.

Минусы:

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

• Быстрый износ щёток.
• Снижение мощности инструмента.
• Появление искр.
• Задымление инструмента.
• Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Вывод: Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым). Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Т.к. такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.

Бесколлекторный двигатель

Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлеторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.

Основные типы бесщёточного двигателя :

• Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
• Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.

Тип двигателя с внешним ротором

Расположение ротора и статора в бесщёточном двигателе DigiPro

Плюсы:

• Из-за отсутствия щёток меньше трения.
• Меньше подвержены износу.
• Отсутствие искр и возможного возгорания.
• Упрощенная регулировка крутящего момента в больших пределах.
• Экономия расходуемой энергии.
• У инструментов с реверсом одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
• Быстрый запуск с больших скоростей.
• Могут разгоняться до предельных показателей.
• Некоторые модели при сильной нагрузке оснащены системой защиты двигателя.

Минусы:

• Значительно дороже в цене, чем коллекторные двигатели.
• Техническое обслуживание более узкоспециализированное.

Вывод: Несомненно бесколлекторные двигатели ориентированы на профессиональные работы с приличной нагрузкой. Несмотря на высокие показатели усовершенствованного типа двигателя, его единственный недостаток бьёт по кошельку. И перед тем, как приобретать инструмент на том или ином двигателе, прежде всего надо поставить перед собой вопрос: для каких целей он нужен. Уже исходя из ответа делать свой выбор.

Сколько людей — столько и мнений. Компания Greenworks старается делать качественную продукцию на разных типах двигателя, чтобы каждый мог подобрать себе инструмент по предпочтениям, функционалу и необходимой мощности под конкретные задачи, которые у каждого клиента свои. Именно поэтому, например, в разделе «Ручной инструмент» Вы можете наблюдать один тип агрегата на коллекторном и бесколлекторном двигателях. Какой лучше? Выбор за Вами!

Всегда интересные новости и статьи от команды сайта Green-Battery.ru
Копирование текстов возможно только со ссылкой на первоисточник.

Универсальный коллекторный двигатель

Универсальный двигатель

Дмитрий Левкин

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Универсальный двигатель

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением.

Принцип работы универсального двигателя

Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности подводимого напряжения изменяются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В итоге направление электромагнитного вращающего момента не изменяется:

,

• где M — электромагнитный момент, Н∙м,
• – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• – ток в обмотке якоря, А,
• Ф — основной магнитный поток, Вб.

В качестве универсального используют двигатель последовательного возбуждения, у которого ток якоря является и током возбуждения, что обеспечивает почти одновременное изменение направления тока в обмотке якоря Iа и магнитного потока возбуждения Ф при переходе от положительного полупериода переменного напряжения сети к отрицательному.

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря Ia и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

,

• где i — ток, А,
• – амплитуда тока, А,
• – частота, рад/c.

,

• где – наибольшее значение магнитного потока, Вб,
• – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

Отсюда получим формулу электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:

.

После преобразования:

.

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента Mпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Смотрите также

Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и UK должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Коллекторный электродвигатель: достоинства, недостатки, область применения

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность. 

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока;
• универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому  он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

• Простое устройство.
• Высокая скорость до 10 000 об/мин.
• Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
• Невысокая стоимость.
• Возможность регулировать скорость в широких пределах.
• Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

• Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
• Искрение щёток, их износ.
• Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
• Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
• Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

• постоянные магниты;
• обмотки возбуждения.

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

• Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
• Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
• Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
• Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

• Схема возбуждения всегда последовательная.
• Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
• Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

• Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
• Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
• Создают радиопомехи.
• Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Универсальный коллекторный двигатель — это… Что такое Универсальный коллекторный двигатель?

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин.

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в с

Коллекторный электродвигатель презентация к уроку по технологии на тему. Принцип действия электродвигателя Презентация на тему коллекторный электродвигатель

«КПД» — Определение КПД при подъеме тела. Архимед. Вес бруска. Соберите установку. КПД. Понятие КПД. Твердое тело. Путь S. Существование трения. Измерьте силу тяги F. Отношение полезной работы к полной работе. Реки и озера. Сделайте вычисления.

«Виды двигателей» — Электрический двигатель. Реактивный двигатель. Виды ДВС. Паровая турбина. Двигатели. Паровая машина. Энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Принцип действия электродвигателя. Принцип действия паровой машины. КПД двигателя внутреннего сгорания. Кузьминский Павел Дмитриевич.

«Тепловые двигатели и окружающая среда» — Эти вещества попадают в атмосферу. Кардано Джероламо. Схема теплового двигателя. Ползунов Иван Иванович. Самолетов. Принцип действия карбюраторного двигателя. Цикл Карно. Паровая машина Дени Папена. Папен Дени. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля. Охрана окружающей среды. Холодильная установка.

«Использование тепловых двигателей» — Запасы внутренней энергии. В сельском хозяйстве. На водном транспорте. Количество электромобилей. Немецкий инженер Даймлер. Проследим историю развития тепловых двигателей. Проект бензинового двигателя. Воздух. Французский инженер Кюньо. Количество вредных веществ. Инженер Геро. Начало истории создания реактивных двигателей.

«Тепловые двигатели и машины» — Электромобили. Внутренняя энергия тепловых машин. Ядерный двигатель. Модель двигателя внутреннего сгорания. Недостатки электромобиля. Тепловые машины. Общий вид двигателя внутреннего сгорания. Дизель. Двухкорпусная паровая турбина. Паровая машина. Решение проблем экологии. Реактивный двигатель. Разнообразие видов тепловых машин.

«Типы тепловых двигателей» — Вред. Двигатель внутреннего сгорания. Тепловые двигатели. Паровая турбина. Краткая история развития. Типы тепловых двигателей. Уменьшение загрязнений окружающей среды. Значение тепловых двигателей. Цикл Карно. Краткая история. Ракетный двигатель.

Всего в теме 31 презентация

Электродвигатели
постоянного тока

План лекции:
1. Основные понятия.
2. Пуск двигателя.
3. Двигатель параллельного
возбуждения.
4. Двигатель последовательного
возбуждения.
5. Двигатель смешанного возбуждения.

1. Основные понятия
Коллекторные машины обладают свойством
обратимости, т.е. они могут работать как в режиме
генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому
если машину постоянного тока подключить к
источнику энергии постоянного тока, то в обмотке
возбуждения и в обмотке якоря машины появятся
токи. Взаимодействие тока якоря с полем
возбуждения создает на якоре электромагнитный
момент М, который является не тормозящим, как
это имело место в генераторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента
якоря машина начинает вращаться, т.е. машина
будет работать в режиме двигателя, потребляя из
сети электрическую энергию и преобразуя ее в
механическую. В процессе работы двигателя его
якорь вращается в магнитном поле. В обмотке
якоря индуцируется ЭДС Еа, направление которой
можно определить по правилу «правой руки». По
своей природе она не отличается от ЭДС,
наводимой в обмотке якоря
генератора. В
двигателе же ЭДС направлена против тока Iа, и
поэтому ее называют противоэлектродвижущей
силой (противо­ЭДС) якоря (рис. 1).

Рис. 1. Направление противо­ЭДС
в обмотке якоря двигателя
Направление вращения якоря зависит от
направлений магнитного потока Ф и тока в
обмотке якоря. Поэтому, изменив направление
какой­либо из указанных величин, можно изменить
направление вращения якоря. При переключении
общих зажимов схемы у рубильника не дает
изменения направления вращения якоря, так как
при этом одновременно изменяется направление
тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

2. Пуск двигателя
При непосредственном подключении двигателя к сети
в обмотке его якоря возникает пусковой ток: Ia’ = U/ = Σr.
Обычно сопротивление Σr невелико, поэтому значение
пускового тока достигает недопустимо больших значений,
в 10 – 20 раз превышающих номинальный ток двигателя.
Такой большой пусковой ток опасен для двигателя, он
может вызвать в машине круговой огонь, при таком токе в
двигателе развивается чрезмерно большой пусковой
момент, который оказывает ударное действие на
вращающиеся части двигателя и может механически их
разрушить.

Рис. 2. Схема включения
пускового реостата
Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р
реостата поставить на холостой контакт 0 (рис. 2).
Затем включают рубильник, переводя рычаг на
первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря
двигателя оказывается подключенной к сети через
наибольшее сопротивление реостата rп р = r1 + r2 +
r3 + r4.

Для пуска двигателей большей мощности
применять пусковые реостаты нецелесообразно,
так как это вызвало бы значительные потери
энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы
громоздкими. Поэтому в двигателях большой
пуск
мощности
двигателя
напряжения.
Примерами
тяговых
двигателей электровоза переключением их с
последовательного соединения при пуске на
параллельное при нормальной работе или пуск
двигателя в схеме «генератор – двигатель».
применяют
путем
этого
безреостатный
понижения
являются
пуск

3. Двигатель параллельного
возбуждения
Схема включения в сеть двигателя параллельного
возбуждения показана на рис. 3, а. Характерной
особенностью этого двигателя является то, что ток в
обмотке возбуждения не зависит от тока нагрузки. Реостат
в цепи возбуждения rрг служит для регулирования тока в
обмотке возбуждения и магнитного потока главных
полюсов.
двигателя
определяются его регулировочными характеристиками,
под которыми понимают зависимость частоты вращения n,
тока I, полезного момента М2, вращающегося момента М
от мощности на валу двигателя Р2 при U = const и Iв =
const (рис. 3, б).
Эксплуатационные
свойства

Рис. 3. Схема двигателя параллельного возбуждения (а)
и его рабочие характеристики (б)
Изменение частоты вращения двигателя при переходе от
номинальной нагрузки к ХХ, выраженное в процентах,
называют номинальным изменением частоты вращения:

собой прямую
Если пренебречь реакцией якоря, то (так как Iв = const)
можно принять Ф = const. Тогда механическая
характеристика двигателя параллельного возбуждения
представляет
несколько
наклоненную к оси абсцисс (рис. 4, а). Угол наклона
механической характеристики тем больше, чем больше
значение сопротивления, включенного в цепь якоря.
при
Механическую
отсутствии дополнительного сопротивления в цепи
якоря
1).
Механические характеристики двигателя, полученные
при введении дополнительного сопротивления в цепь
якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).
естественной
характеристику
двигателя
линию,
называют
(прямая

Рис. 45.4. Механические характеристики двигателя параллельного
возбуждения:
а – при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;
б – при изменении основного магнитного потока;
в – при изменении напряжения в цепи якоря
Вид механической характеристики зависит также от
значения основного магнитного потока Ф. Так, при
увеличении Ф увеличивается частота вращения ХХ n0 и
одновременно увеличивается Δn.

4. Двигатель
последовательного
возбуждения
В этом двигателе обмотка возбуждения
включена последовательно в цепь якоря (рис. 5, а),
поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока
нагрузки I = Ia = Iв. При необходимых нагрузках
магнитная система машины не насыщена и
зависимость магнитного потока от тока нагрузки
прямо пропорциональна, т. е. Ф = kфIa. В этом
случае найдем электромагнитный момент: М =
смkфIaIa = см’ Ia2.

Рис. 5. Двигатель последовательного возбуждения: а –
принципиальная схема; б – рабочие характеристики;
в – механические характеристики, 1 – естественная
характеристика; 2 – искусственная характеристика
Вращающий момент двигателя при ненасыщенном
системы пропорционален
а частота вращения обратно
состоянии магнитной
квадрату
пропорциональна току нагрузки.
тока,

5,
б
На
рис.
представлены
рабочие
характеристики М = f(I) и n = f(I) двигателя
последовательного возбуждения. При больших
нагрузках наступает насыщение магнитной системы
двигателя. В этом случае магнитный поток при
возрастании нагрузки почти не изменится, и
характеристики двигателя приобретают почти
прямолинейный характер. Характеристика частоты
последовательного,
вращения
возбуждения показывает, что частота вращения
двигателя значительно меняется при изменениях
нагрузки. Такую характеристику принято называть
мягкой.
двигателя

2)
обеспечивают
n
характеристики
возбуждения
Механические
двигателя
=
f(M)
последовательного

искусственная
двигателю
при любой механической нагрузке. Свойство этих
двигателей развивать большой вращающий момент,
пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет
важное значение, особенно в тяжелых условиях
пуска и при перегрузках, так как с постепенным
увеличением нагрузки двигателя мощность на его
входе растет медленнее, чем вращающий момент.

Рис. 6. Регулирование частоты вращения двигателей
2)
обеспечивают
последовательного возбуждения
характеристики
возбуждения
двигателя
Механические
f(M)
=
последовательного
представлены на рис. 5, в. Резко падающие кривые
механических характеристик (естественная 1 и
двигателю
искусственная
последовательного возбуждения устойчивую работу
n

Частоту
вращения двигателей последовательного
возбуждения можно регулировать изменением либо
напряжения U, либо магнитного потока обмотки
возбуждения. В первом
случае в цепь якоря
последовательно включают регулировочный реостат Rрг
(рис. 6, а). С увеличением сопротивления этого
реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя
и частота его вращения. Этот метод регулирования
применяют в двигателях небольшой мощности. В случае
способ
значительной мощности двигателя
неэкономичен из­за больших потерь энергии в Rрг.
Кроме того, реостат Rрг, рассчитываемый на рабочий
и
ток
дорогостоящим.
громоздким
этот
двигателя,
получается

При совместной работе нескольких однотипных
двигателей частоту вращения регулируют изменением
схемы их включения относительно друг друга (рис. 6,
б). Так при параллельном включении двигателей
каждый из них оказывается под полным напряжением
сети, а при последовательном включении двух
двигателей
каждый двигатель приходится
половина напряжения сети. При одновременной
работе большего числа двигателей возможно большее
количество вариантов включения. Этот способ
регулирования частоты вращения применяют в
электровозах, где установлено несколько однотипных
тяговых двигателей.
на

Изменение подводимого к двигателю напряжения
возможно также при питании двигателя от источника
постоянного тока с регулируемым напряжением
(например, по схеме, аналогичной рис. 7, а). При
уменьшении подводимого к двигателю напряжения
его механические характеристики смещаются вниз,
практически не меняя своей кривизны (рис. 8).
частоту
вращения
rрг;
Регулировать
двигателя
изменением магнитного потока можно
тремя
способами: шунтированием обмотки возбуждения
обмотки
реостатом
якоря
возбуждения; шунтированием
реостатом rш.
секционированием
обмотки

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

2 слайд

Описание слайда:

Борис Семенович Якоби Электрические двигатели служат для превращения электрической энергии в механическую. Первый в мире электродвигатель создал русский ученый академик Борис Семенович Якоби в 1834 году. Немецкий и русский физик-изобретатель. Прославился открытием гальванопластики. Построил первый электродвигатель, телеграфный аппарат, печатающий буквы. Старший брат математика Карла Якоби, отец изобретателя Владимира Якоби и сенатора Николая Якоби.

3 слайд

Описание слайда:

Электродвигатели самых разных конструкций находят широкое применение в деятельности человека. На производстве и в быту электрические двигатели приводят в движение станки и механизмы, трамваи, троллейбусы, электровозы, доильные аппараты, приборы, игрушки и др. Перед другими видами двигателей (паровыми, внутреннего сгорания) электродвигатели имеют большие преимущества. При работе они не выделяют вредных газов, дыма или пара, не нуждаются в запасах топлива и воды, их легко установить в любом удобном месте (на стене, под полом трамвая или троллейбуса, в корпусе магнитофона или в колесах лунохода).

4 слайд

Описание слайда:

Рассмотрим устройство и принцип действия широко применяемого на производстве и в быту коллекторного электродвигателя. Модель простейшего коллекторного электродвигателя показана на рисунке. Неподвижная часть электродвигателя — статор, представляющий собой постоянный магнит, служит для создания постоянного магнитного поля. Вращающаяся часть электродвигателя — ротор — состоит из якоря и коллектора. Простейший якорь — это электромагнит, состоящий из сердечника и обмотки. Коллектор, укрепленный на валу якоря, выполнен из двух полуколец, изолированных друг от друга и от вала двигателя. Каждый вывод обмотки якоря припаян к отдельному полукольцу. Электрический ток от источника (батарейки) подается в обмотку якоря через специальные скользящие контакты — щетки. Это две упругие металлические пластины, соединенные проводами с источником тока и прижатые к полукольцам коллектора.

5 слайд

Описание слайда:

Обмотку возбуждения можно подключать к источнику тока по-разному. В одних случаях ее присоединяют к тем же зажимам источника, что и обмотку якоря, т. е. параллельно. Такое соединение показано на рисунке. Возможно и последовательное соединение якоря с обмоткой возбуждения. Способ включения обмотки возбуждения относительно якоря отражается на свойствах электродвигателя. При параллельном возбуждении число оборотов двигателя мало меняется с увеличением механической нагрузки на вал. Поэтому двигатели с параллельным возбуждением используют для привода станков. В двигателях с последовательным возбуждением число оборотов резко уменьшается с увеличением механической нагрузки на вал. Это свойство позволяет использовать такие двигатели на электрическом транспорте.

6 слайд

Описание слайда:

Электромагнитное возбуждение двигателя дает возможность не только усилить магнитное поле по сравнению с полем постоянных магнитов, но и управлять его интенсивностью. Для этого необходимо изменять реостатом величину тока в цепи обмотки возбуждения, изменяя тем самым число оборотов двигателя.

7 слайд

Описание слайда:

Настоящий рабочий электродвигатель по конструкции более сложен чем модель. Вместо постоянного магнита магнитное поле статора образуется мощными электромагнитами — магнитными полюсами двигателя. Обмотка 3 одного из полюсов, служащая обмоткой возбуждения, и сердечник 5 отмечены на рисунке

8 слайд

Слайд 1

Электродвигатели и их применение

Гаспарян Ваге 8-Б класс,лицей им. Б.П.Хашдеу

Кишинэу,2015

Слайд 2

Электрический двигатель -это (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом при этом является выделение тепла.

Слайд 3

Электродвигатели

а)Постоянного тока Электрические двигатели переменного тока применяют для привода рабочих машин различного назначения (насосы,станки) не требующих регулирования частоты вращения.

б)Переменного тока Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток — практически не регулируемая частота вращения.

Слайд 4

а)Двигатель постоянного тока

Классификация двигателей постоянного тока Коллекторные двигатели постоянного тока. Разновидности: а) С возбуждением постоянными магнитами б)С параллельным соединением обмоток возбуждения и якоря в) С последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря г)Со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря 2) Бесколлекторные двигатели

Слайд 5

б)Двигатели переменного тока

1)Синхронный электродвига-тель его ротор которого вращается синхронно с магнитным полем

2) Асинхронный электродвигатель — в нём частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля

3) Однофазные — запускаются вручную, или имеют фазосдвигающую цепь

Слайд 6

9) Универсальный коллекторный двигатель (УКД) — коллекторный электродвигатель, который может работать ина постоянном токе и на переменном токе.

6) Многофазные

7) Шаговые двигатели-двигатели,которые имеют конечное число положений ротора

5)Трёхфазные

8)Вентильные двигатели-это двигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР)

4) Двухфазные

Слайд 7

Применение

а) ДПТ-используются в электрическом транспорте (метро, троллейбус, трамвай, пригородные электрические железные дороги, электровозы), так и в подъемных устройствах (электрические подъемные краны).Также ДПТ широко применяются в бытовой технике(электродрель,пылесос и др.)

Слайд 8

б)Двигатели переменного тока-имеют большое значения для удовлетворения потребностей промышленного производства. Используются в качестве двигателей в крупных установках, таких, как привод поршневых компрессоров, воздуховодов, гидравлических насосов и др ДПТ также применяются в промышленности, например, для приводов крановых установок, а также различных грузовых лебедок и других устройств, необходимых в производстве.

«КПД» — Сделайте вычисления. Соберите установку. Путь S. Измерьте силу тяги F. Реки и озера. Отношение полезной работы к полной работе. Твердое тело. Существование трения. КПД. Архимед. Понятие КПД. Вес бруска. Определение КПД при подъеме тела.

«Виды двигателей» — Виды паровозов. Паровая машина. Дизель. КПД дизельных двигателей. Кузьминский Павел Дмитриевич. Двигатели. Реактивный двигатель. Двигатель внутреннего сгорания. Паровая турбина. Принцип действия паровой машины. Как это было (первооткрыватели). Принцип действия электродвигателя. Папен (Papin) Дени. Энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу.

«Использование тепловых двигателей» — Транспортные средства. Состояние зеленой природы. Проект бензинового двигателя. В автомобильном транспорте. Архимед. Внутренняя энергия пара. Тепловые двигатели. Немецкий инженер Даймлер. Количество вредных веществ. Озеленить города. Начало истории создания реактивных двигателей. Количество электромобилей.

«Тепловые двигатели и их виды» — Паровая турбины. Тепловые машины. Паровая машина. Двигатель внутреннего сгорания. Внутренняя энергия. Газовая турбина. Разнообразие видов тепловых машин. Реактивный двигатель. Дизель. Виды тепловых двигателей.

«Тепловые двигатели и окружающая среда» — Тепловые двигатели. Ньюкомен Томас. Цикл Карно. Холодильная установка. Различные части ландшафта. Кардано Джероламо. Карно Никола Леонард Сади. Папен Дени. Принцип действия инжекторного двигателя. Паровая турбина. Принцип действия карбюраторного двигателя. Эти вещества попадают в атмосферу. Двигатели внутреннего сгорания автомобилей.

«Тепловые двигатели и машины» — Преимущества электромобиля. Виды двигателей внутреннего сгорания. Виды тепловых двигателей. Ядерный двигатель. Недостатки электромобиля. Такты работы двухтактного двигателя. Дизель. Схема работы. Разнообразие видов тепловых машин. Такты работы четырехтактного двигателя. Тепловые машины. Газовая турбина.

Всего в теме 31 презентация

Соединение с общим эмиттером

(или конфигурация CE) — кривая входных и выходных характеристик

Определение : Конфигурация, в которой эмиттер подключается между коллектором и базой, известна как конфигурация с общим эмиттером. Входная цепь соединена между эмиттером и базой, а выходная цепь взята из коллектора и эмиттера. Таким образом, эмиттер является общим как для входной, так и для выходной цепи, и, следовательно, название является общей конфигурацией эмиттера.Схема общего эмиттера для транзисторов NPN и PNP показана на рисунке ниже.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Коэффициент усиления базового тока определяется как отношение выходного и входного тока в конфигурации с общим эмиттером. При усилении с обычным эмиттером выходной ток — это ток коллектора I _C, , а входной ток — это ток базы I _B .

Другими словами, отношение изменения тока коллектора к току базы известно как коэффициент усиления базы.Он представлен β (бета).

Зависимость между текущим коэффициентом усиления (α) и базовым коэффициентом усиления (β)

Соотношение между Β и α может быть получено как

Мы знаем,

Сейчас,

Подставляя значение ΔI _E в уравнение (1), получаем,

Вышеприведенное уравнение показывает, что когда α достигает единицы, тогда β достигает бесконечности. Другими словами, коэффициент усиления по току в конфигурации с общим эмиттером очень высок, и по этой причине схема с общей схемой расположения эмиттеров используется во всех транзисторных приложениях.

Ток коллектора

В конфигурации CE входной ток I _B и выходной ток I _C связаны уравнением, показанным ниже.

Если базовый ток открыт (т.е. I _B = 0). Коллекторный ток поступает на эмиттер, и этот ток обозначается сокращенно I _CEO , что означает ток коллектор-эмиттер при разомкнутой базе.

Подставляем значение ΔI _B в уравнения (1), получаем,

Характеристики конфигурации общего эмиттера (CE)

Характеристика схемы транзистора с общим эмиттером показана на рисунке ниже.Напряжение между базой и эмиттером изменяется регулировкой потенциометра R ₁ . А напряжение между коллектором и эмиттером меняли регулировкой потенциометра R ₂ . Для различных настроек ток и напряжение снимаются с миллиамперметров и вольтметров. На основе этих показаний кривая ввода и вывода строится на кривой.

Входная характеристическая кривая

Кривая, построенная между базовым током I _B и напряжением база-эмиттер V _EB , называется кривой входных характеристик.Для построения входной характеристики через амперметр снимаются токи базы на эмиттерном напряжении V _BE при постоянном токе коллектор-эмиттер. Кривая для различных значений тока коллектор-база показана на рисунке ниже.

Кривая для конфигурации с общей базой аналогична характеристике прямого диода. Базовый ток I _B увеличивается с увеличением напряжения эмиттер-база V _BE . Таким образом, входное сопротивление конфигурации CE сравнительно выше, чем у конфигурации CB.

Влияние CE не вызывает большого отклонения на кривых, и, следовательно, влияние изменения V _CE на входную характеристику игнорируется.

Входное сопротивление: Отношение изменения напряжения база-эмиттер V _BE к изменению базового тока ∆I _B при постоянном напряжении коллектор-эмиттер V _CE известно как входное сопротивление, т. Е.

Выходная характеристика

В конфигурации CE кривая проходит между током коллектора I _C и напряжением коллектор-эмиттер V _CE при постоянном базовом токе I _B называется выходной характеристикой.Характеристическая кривая для типичного NPN-транзистора в конфигурации CE показана на рисунке ниже.

В активной области ток коллектора немного увеличивается по мере увеличения тока коллектора-эмиттера V _CE . Наклон кривой намного больше, чем выходная характеристика конфигурации CB. Выходное сопротивление соединения с общей базой больше, чем у соединения CE.

Значение тока коллектора I _C увеличивается с увеличением V _CE при постоянном напряжении I _B , значение β of также увеличивается.

Когда V _CE падает, I _C также быстро падает. Коллектор-база транзистора всегда находится в прямом смещении и работает в режиме насыщения. В области насыщения ток коллектора становится независимым и свободным от входного тока I _B

В активной области I _C = βI _B малый ток I _C не равен нулю, и он равен обратному току утечки I _CEO .

Выходное сопротивление: Отношение изменения напряжения коллектор-эмиттер к току коллектор-эмиттер известно при токах коллектора при постоянном базовом токе I _B , называется выходным сопротивлением r _o .

Значение выходного сопротивления конфигурации CE больше, чем у CB

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 76

Введение

Транзисторы вращают мир электроники. Они критически важны как источник управления практически в каждой современной цепи. Иногда вы их видите, но чаще всего они спрятаны глубоко внутри кристалла интегральной схемы.В этом уроке мы познакомим вас с основами самого распространенного транзистора: биполярного переходного транзистора (BJT).

В небольших дискретных количествах транзисторы могут использоваться для создания простых электронных переключателей, цифровой логики и схем усиления сигналов. В количествах тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторы соединены между собой и встроены в крошечные микросхемы для создания компьютерной памяти, микропроцессоров и других сложных ИС.

, описанные в этом учебном пособии

После прочтения этого руководства мы хотим, чтобы вы получили общее представление о том, как работают транзисторы.Мы не будем углубляться в физику полупроводников или эквивалентные модели, но мы достаточно углубимся в предмет, чтобы вы поняли, как транзистор можно использовать в качестве переключателя или усилителя .

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

Существует два типа базовых транзисторов: биполярный переход (BJT) и металлооксидный полевой транзистор (MOSFET). В этом уроке мы сосредоточимся на BJT , потому что его немного легче понять.Если копать еще глубже в типы транзисторов, на самом деле существует две версии BJT: NPN и PNP . Мы сфокусируемся еще больше, ограничив наше раннее обсуждение NPN. Если сузить фокус — получить твердое представление о NPN — будет легче понять PNP (или даже МОП-транзисторы), сравнив, чем он отличается от NPN.

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

Перед тем, как углубиться в это руководство, мы настоятельно рекомендуем просмотреть эти руководства:

• Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома — Введение в основы электроники.
• Основы электричества — Мы поговорим немного об электричестве как потоке электронов. Узнайте, как текут эти электроны, в этом уроке.
• Electric Power — Одно из основных применений транзисторов — усиление — увеличение мощности сигнала. Увеличение мощности означает, что мы можем увеличивать либо ток, либо напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
• Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В каком-то смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, будет иметь большое значение для раскрытия работы транзистора.

Хотите изучить транзисторы?

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы — это в основном трехконтактные устройства. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем для NPN и PNP BJT ниже:

Единственное различие между NPN и PNP — это направление стрелки на эмиттере. Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает на. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN: N ot P ointing i N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса. Полупроводник — это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов.Заглянем вкратце под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода

Транзисторы

— это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов. В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он соответствует направлению стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен проходить ток через транзистор.

Изображение диодов — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает). Существует множество странных вещей уровня квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете провести измерения на клеммах BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора

Транзисторы построены из трех разных слоев полупроводникового материала. В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легирование»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного). Транзисторы создаются путем наложения n поверх p поверх n или p поверх n над p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение акронимов?

Если немного помахать рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), чтобы толкать их.Но переход от области p к области n действительно затруднен (требуется лот напряжения ). Но особенность транзистора — та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей — это тот факт, что электронов могут легко течь от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход имеет прямое смещение (то есть база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

NPN-транзистор предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру). Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большинство испускаемых электронов «собираются» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору. Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше …

---

Расширение аналогии с водой

Если вы в последнее время читали много руководств по концепциям электричества, вы, вероятно, привыкли к аналогиям с водой. Мы говорим, что ток аналогичен скорости потока воды, напряжение — это давление, проталкивающее воду по трубе, а сопротивление — это ширина трубы.

Неудивительно, что аналогию с водой можно распространить и на транзисторы: транзистор похож на водяной клапан — механизм, который мы можем использовать для управления скоростью потока .

Есть три состояния, в которых мы можем использовать клапан, каждое из которых по-разному влияет на скорость потока в системе.

1) Вкл — короткое замыкание

Клапан можно полностью открыть, позволяя воде свободно течь в — проходить, как если бы клапана даже не было.

Аналогичным образом, при определенных обстоятельствах, транзистор может выглядеть как , закороченное между выводами коллектора и эмиттера. Ток может свободно течь через коллектор и выходить из эмиттера.

2) Выкл. — обрыв цепи

Когда он закрыт, клапан может полностью перекрыть поток воды.

Таким же образом можно использовать транзистор для создания разомкнутой цепи между выводами коллектора и эмиттера.

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой можно точно настроить клапан для точного управления расходом до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно регулирует ток через цепь в некоторой точке между полностью выключенным (разомкнутая цепь) и полностью включенным (короткое замыкание).

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, транзистор в некотором роде похож на переменный регулируемый резистор .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, что с помощью легкого поворота клапана вы могли бы контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное усилие, которое вы можете приложить, чтобы повернуть эту ручку, может создать усилие в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усиливать электрических сигналов, превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.

---

Вид. Это еще не все, но это хорошее место для начала! В следующем разделе вы найдете более подробное объяснение работы транзистора.

---

Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

• Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
• Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
• Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базу.
• Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех выводов и на то, как они соотносятся друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V _BE ) и от базы к коллектору (V _BC ) устанавливают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как он влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена NPN транзисторам . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщения

Насыщенность — это в режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе смещены в прямом направлении. Это означает, что V _BE должен быть больше 0, и , поэтому V _BC должен быть. Другими словами, V _B должен быть выше, чем V _E и V _C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, в действительности, V _BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение. Для этого падения напряжения существует множество сокращений — V _th , V _γ и V _d — несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) мы можем оценить это падение примерно в 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определено как CE напряжение насыщения, В _{CE (насыщение)} — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V _C должно быть немного больше, чем V _E (но оба все еще меньше, чем V _B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отключения

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки выключен — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.Оба V _BC и V _BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V _BE может находиться в пределах от 0 до V _th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме значение V _BE транзистора должно быть больше нуля, а V _BC должно быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V _th , V _γ или V _d ) от базы к эмиттеру (V _BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β _F или h _FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I _C ) с базовым током ( I _B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель с активным режимом. V _BE = V _th и I _C = βI _B .

Что с током эмиттера, I _E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут на прибора, а выходит I _E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко к, но меньше 1. Это означает, что I _C очень близко, но меньше I _E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если я _C , например, 100 мА, то я _E это 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму. Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в противоположном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β _R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которое должно быть больше, чем на коллекторе (V _BE <0 и V _BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? PNP работает очень похоже на NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится PNP-транзистор, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы ввести PNP в насыщение, V _C и V _E должны быть выше, чем V _B . Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V _E должен иметь более высокое напряжение, чем V _B , которое должно быть выше, чем V _C .

Итого:

Соотношение напряжений	Режим NPN	Режим PNP
В E <В B <В C	Активный	Обратный
V E B > V C	Насыщенность	Отсечка
V E > V B C	Отсечка	Насыщенность
V E > V B > V C	Задний ход	Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока. В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP протекает от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.

---

Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!

---

Приложения I: переключатели

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — это его использование для управления потоком энергии к другой части схемы — использование его в качестве электрического переключателя.Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными строительными блоками; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход связан с коллектором, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе больше 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V _th ), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6V транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер имеет высокий уровень, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: для включения нагрузки база должна быть низкой. Это может вызвать проблемы, особенно если высокое напряжение нагрузки (V _CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V _E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключателем , потому что V _B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V _E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между входом управления и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем в прямом направлении диод база-эмиттер, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток , но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот транзисторная схема, которая реализует инвертор , или НЕ вентиль:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V _{CE (sat)} ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая с общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с 2 входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если какой-либо из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то на выходе схемы также высокий уровень.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с 2 входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост — это транзисторная схема, способная приводить двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

906

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением. Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V _CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

• Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
• Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор более низкого номинала — R4.
• Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
• На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
• Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
• Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
• Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором мы начали.

Может быть трудно понять. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая конкретные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1. 5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.

---

Как вы, наверное, уже заметили, существует тонны схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!

---

Applications II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, производимого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует, казалось бы, бесконечное множество транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете разобраться в более сложных усилителях.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно привязан к общему напряжению (обычно заземлению), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно заземления). База становится входом сигнала, а коллектор становится выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера состоит в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу в качестве входа, а эмиттер — в качестве выхода, у нас будет общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки управляющей цепи.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть схемы с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Резюме

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

Вход A	Вход B	Выход A	Выход B	Направление двигателя
0	0	1	1	Остановка (торможение)	19
1	0	По часовой стрелке
1	0	0	1	Против часовой стрелки
1	1	0	0

Входное сопротивление

26 Среднее

	Общий эмиттер	Общий коллектор	Общая база
Коэффициент усиления по напряжению	Средний	Низкий	Высокий
Усиление по току	6 Низкое	Среднее	Высокое	Низкое
Выходное сопротивление	Среднее	Низкое	Высокое

Многокаскадные усилители

Мы могли бы продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете вышеупомянутые одноступенчатые усилители:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет , что примерно на совпадает с входным напряжением (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β ² — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется длиннохвостой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа поданы на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель является полезным «заключительным каскадом» многих многокаскадных усилителей. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных схемах (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать распространенные транзисторные схемы и понимание их назначения может помочь вам в долгом! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

• Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) в дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
• Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 — это общий коллектор, а Q12 — это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
• Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R _SC ) — это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
• Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие схемы транзисторов, вы на правильном пути!

---

Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

В наличии COM-10213

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с микроконтроллера, MOSFET — это то, что вам нужно.Это ве…

4

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

В наличии КОМПЛЕКТ-14310

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

---

Ресурсы и дальнейшее развитие

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем следующие ресурсы:

• Приступая к работе с электроникой , Форрест Мимс — Мимс — мастер объяснения электроники в простой для понимания и применимости манере.Обязательно ознакомьтесь с этой книгой, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
• LTSpice и Falstad Circuit — это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами — отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
• 2N3904 Техническое описание — Еще один способ узнать о транзисторах — это изучить их техническое описание.2N3904 — это действительно распространенный транзистор, который мы используем все время (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, посмотрите, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Вдобавок к этому наш собственный технический директор Пит снял серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

.

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Качественный товар!

Идем дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

• Интегральные схемы — Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
• Регистры сдвига — регистры сдвига являются одними из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как можно использовать транзистор для мигания десятков светодиодов всего несколькими входами.
Руководство по подключению мини-полевого транзистора
• — это действительно простой щиток Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
• Проектирование печатных плат с EAGLE — Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для разработки печатных плат.
• Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или посмотрите некоторые из этих сообщений в блоге, чтобы найти идеи:

Что такое IGBT — работа, работа, приложения и различные типы IGBT

Самыми популярными и часто используемыми силовыми электронными переключающими устройствами являются биполярный транзистор BJT и MOSFET.Мы уже подробно обсудили работу BJT и MOSFET, а также то, как они используются в схемах. Но у обоих этих компонентов были некоторые ограничения для использования в приложениях с очень высоким током. Итак, мы переместили еще одно популярное силовое электронное коммутационное устройство, называемое IGBT. Вы можете думать о IGBT как о слиянии BJT и MOSFET, эти компоненты имеют входные характеристики BJT и выходные характеристики MOSFET. В этой статье мы познакомимся с основами IGBT , с тем, как они работают и как использовать их в схемах.

Что такое IGBT?

IGBT — это сокращенная форма биполярного транзистора с изолированным затвором . Это трехконтактное полупроводниковое переключающее устройство, которое можно использовать для быстрого переключения с высокой эффективностью во многих типах электронных устройств. Эти устройства в основном используются в усилителях для коммутации / обработки сложных волновых схем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Типичный символ IGBT вместе с его изображением показан ниже.

Как упоминалось ранее, IGBT представляет собой смесь BJT и MOSFET. Символ IGBT также представляет собой то же самое, поскольку вы можете видеть, что сторона входа представляет собой полевой МОП-транзистор с выводом затвора, а сторона вывода представляет собой BJT с коллектором и эмиттером. Коллектор и Эмиттер являются выводами проводимости, а затвор — это контрольный вывод , с помощью которого управляется операция переключения.

Внутренняя структура IGBT

IGBT

может быть сконструирован с эквивалентной схемой, состоящей из двух транзисторов и MOSFET, поскольку IGBT обладает выходом из указанной ниже комбинации транзистора PNP, транзистора NPN и MOSFET.IGBT сочетает в себе низкое напряжение насыщения транзистора с высоким входным импедансом и скоростью переключения MOSFET. Результат, полученный в результате этой комбинации, обеспечивает характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но напряжение регулируется как полевой МОП-транзистор.

Так как IGBT представляет собой комбинацию MOSFET и BJT, они также называются разными именами. различных наименований IGBT : транзистор с изолированным затвором (IGT), транзистор с изолированным затвором и оксидом металла (MOSIGT), полевой транзистор с модулированным усилением (GEMFET), полевой транзистор с кондуктивной модуляцией (COMFET).

Работа IGBT

IGBT имеет три вывода, прикрепленных к трем различным металлическим слоям, металлический слой вывода затвора изолирован от полупроводников слоем диоксида кремния (SIO2). БТИЗ состоит из 4 слоев полупроводника, соединенных между собой. Слой, расположенный ближе к коллектору, — это слой подложки p + , выше, это слой n- , другой слой p находится ближе к эмиттеру, а внутри слоя p, у нас есть слоев n + .Соединение между слоем p + и n-слоем называется соединением J2, а соединение между n-слоем и p-слоем называется соединением J1. Структура IGBT показана на рисунке ниже.

Чтобы понять, как работает IGBT , рассмотрим источник напряжения V _G , подключенный к клемме затвора по отношению к эмиттеру. Рассмотрим другой источник напряжения V _CC , подключенный между эмиттером и коллектором, где коллектор остается положительным по отношению к эмиттеру.Благодаря источнику напряжения V _CC переход J1 будет смещен в прямом направлении, тогда как переход J2 будет смещен в обратном направлении. Поскольку J2 имеет обратное смещение, ток не будет протекать внутри IGBT (от коллектора к эмиттеру).

Сначала учтите, что на клемму Gate не подается напряжение, на этом этапе IGBT будет в непроводящем состоянии. Теперь, если мы увеличим приложенное напряжение затвора, из-за эффекта емкости на слое SiO2 отрицательные ионы будут накапливаться на верхней стороне слоя, а положительные ионы будут накапливаться на нижней стороне слоя SiO2.Это вызовет введение отрицательно заряженных носителей в p-область, чем выше приложенное напряжение V _G , тем больше будет вставка отрицательно заряженных носителей. Это приведет к образованию канала между переходом J2, который позволяет протекать току от коллектора к эмиттеру . Течение тока представлено как путь тока на рисунке, когда прикладываемое напряжение затвора V _G увеличивается, величина тока, протекающего от коллектора к эмиттеру, также увеличивается.

Типы IGBT

IGBT классифицируется на два типа на основе буферного слоя n +, IGBT, которые имеют буферный слой n +, называются Punch through IGBT (PT-IGBT) , IGBT, у которых нет буферного слоя n +, называются — IGBT без дырокола (NPT — IGBT).

Исходя из своих характеристик, NPT-IGBT и PT-IGBT называются симметричными и несимметричными IGBT. Симметричные IGBT — это те, которые имеют одинаковое прямое и обратное напряжение пробоя.Асимметричные IGBT — это те, у которых напряжение обратного пробоя меньше, чем напряжение прямого пробоя. Симметричные IGBT в основном используются в цепях переменного тока, тогда как асимметричные IGBT в основном используются в цепях постоянного тока, поскольку им не нужно поддерживать напряжение в обратном направлении.

Разница между пробивкой через IGBT (PT-IGBT) и без пробивки через IGBT (NPT-IGBT)

Пробивка через IGBT (PT-IGBT)	Без дырокола — IGBT (NPT — IGBT)
Они менее устойчивы к отказу при коротком замыкании и имеют меньшую термостойкость	Они более надежны при отказе от короткого замыкания и обладают большей термостойкостью.
Коллектор представляет собой сильно легированный слой P +	Коллектор представляет собой слаболегированный P-слой.
Он имеет небольшой положительный температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии, поэтому параллельная работа требует большой осторожности и внимания.	Температурный коэффициент напряжения в открытом состоянии строго положительный, поэтому параллельная работа проста.
Потери при выключении более чувствительны к температуре, поэтому они значительно увеличиваются при более высокой температуре.	Потеря отключения менее чувствительна к температуре, поэтому она остается неизменной с температурой.

Работа IGBT как цепи

Поскольку IGBT представляет собой комбинацию BJT и MOSFET, давайте рассмотрим их работу в виде принципиальной схемы.На приведенной ниже диаграмме показана внутренняя схема IGBT , которая включает в себя два BJT, один MOSFET и JFET. Контакты затвора, коллектора и эмиттера IGBT отмечены ниже.

Коллектор транзистора PNP соединен с транзистором NPN через JFET, JFET соединяет коллектор транзистора PNP и базу транзистора PNP. Эти транзисторы скомпонованы таким образом, чтобы образовать паразитный тиристор, созданный для создания контура отрицательной обратной связи .Резистор RB помещается так, чтобы закоротить выводы базы и эмиттера NPN-транзистора, чтобы гарантировать, что тиристор не защелкивается, что приводит к защелкиванию IGBT. JFET, используемый здесь, будет обозначать структуру тока между любыми двумя ячейками IGBT, позволяет использовать MOSFET и поддерживает большую часть напряжения.

Характеристики переключения IGBT

IGBT — это устройство , управляемое напряжением, , поэтому ему требуется только небольшое напряжение на затвор, чтобы оставаться в состоянии проводимости.А поскольку это однонаправленные устройства, они могут переключать ток только в прямом направлении, то есть от коллектора к эмиттеру. Типичная схема переключения IGBT показана ниже, напряжение затвора V _G подается на вывод затвора для переключения двигателя (M) от напряжения питания V +. Резистор Rs примерно используется для ограничения тока через двигатель.

Входные характеристики IGBT можно понять из приведенного ниже графика. Первоначально, когда на вывод затвора не подается напряжение, IGBT находится в выключенном состоянии и ток не течет через вывод коллектора.Когда напряжение, приложенное к выводу затвора, превышает пороговое напряжение , IGBT начинает проводить, и ток коллектора I _G начинает течь между выводами коллектора и эмиттера. Ток коллектора увеличивается относительно напряжения затвора, как показано на графике ниже.

Выходные характеристики IGBT имеют три ступени. Первоначально, когда напряжение затвора V _GE равно нулю, устройство находится в выключенном состоянии, это называется областью отсечки .Когда V _GE увеличивается и если оно меньше порогового напряжения , то через устройство будет протекать небольшой ток утечки, но устройство все равно будет находиться в области отсечки. Когда напряжение V _GE превышает пороговое значение, устройство переходит в активную область , и ток начинает течь через устройство. Протекание тока будет увеличиваться с увеличением напряжения V _GE , как показано на графике выше.

Приложения IGBT

БТИЗ

используются в различных приложениях, таких как приводы двигателей переменного и постоянного тока, нерегулируемые источники питания (ИБП), импульсные источники питания (SMPS), управление тяговыми двигателями и индукционный нагрев, инверторы, используемые для объединения полевых транзисторов с изолированным затвором для управления вход и биполярный силовой транзистор в качестве переключателя в одном устройстве и т. д.

Пакеты IGBT

ГБТ доступны в разных типах пакетов с разными названиями от разных компаний.Например, Infineon Technologies предлагает пакеты для сквозного монтажа и для поверхностного монтажа. Пакет сквозного типа включает ТО-262, ТО-251, ТО-273, ТО-274, ТО-220, ТО-220-3 FP, ТО-247, ТО-247AD. В комплект для поверхностного монтажа входят ТО-263, ТО-252.

Блок-схема шагового двигателя

• Центральные механизмы 70 галлонов. Обзор промышленного пылеуловителя 2 л.с. вращения за раз, например 1.8, 3,6, 7,5 градусов и т. Д. Так, например, предположим, что шаговый двигатель совершает один полный оборот (360 o ровно за 100 шагов.
• Драйвер двухфазного биполярного шагового двигателя CVD обеспечивает превосходные характеристики и стоимость и идеально подходит для OEM или одноосные станки. CVD доступен только в качестве драйвера или как часть полного пакета. Драйверы для шаговых двигателей CVD предлагают: минимальную вибрацию и шум с улучшенным микрошаговым управлением.
• основы шаговых двигателей, см. AN907: Основы шаговых двигателей .2.1 Обзор управления На рис. 2-1 показана блок-схема общей системы, используемой для управления тремя шаговыми двигателями. TMR0 действует как генератор шага, который в первую очередь отвечает за управление скоростью двигателей. Каждый раз, когда TMR0 катится. 60120180240300360420480540600 0150300450600750900 1050 1200 1350 1500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 МОМЕНТ (унция МОЩНОСТЬ…
• Отправлено 10 апреля 2017 г. в 15:30. Привет всем, я пытаюсь управлять шаговым двигателем с помощью ШИМ на плате STM32F469NI-eval. В целях отладки я подключил светодиод к ступенчатому выводу, который светится, указывая на то, что ступенчатый вывод обеспечивает вывод ШИМ, но мой шаговый двигатель не вращается. Я прилагаю копию своего кода вместе с блок-схемой схемы, используемой в нашем Кто-нибудь, пожалуйста, помогите …

Vanossgaming age

• Пояснение: Шаговый двигатель — это двигатель, в котором движение происходит ступенчато, и это непостоянное устройство, которое можно рассматривать как цифро-аналоговый преобразователь.10. Каков угол шага шагового двигателя с постоянными магнитами, имеющего 8 полюсов статора и 4 полюса ротора?
• Рисунок 2. Основные подсистемы привода шагового двигателя. 2.1. Плата привода униполярного шагового двигателя. Плата привода униполярного шагового двигателя (запас RS 217-3611) использовалась в этой работе, и более подробную информацию об этом можно найти в [16]. Плата привода была смоделирована как секвенсор, в котором представлено напряжение, приложенное к каждой фазе HSM …
• 4 марта 2018 · Управление шаговым двигателем с использованием микроконтроллера 8051 Принцип Основным принципом этих схем является вращение шагового двигателя пошагово под определенным углом шага.Микросхема ULN2003 и драйвер двигателя L293D используются для управления шаговым двигателем, поскольку контроллер не может обеспечить ток, необходимый двигателю.

Находится в рубашке охлаждающей жидкости двигателя на стороне водителя блока. Для проверки используйте вольт-омметр с высоким сопротивлением. Сопротивление должно быть менее 1000 Ом с ТЕПЛЫМ двигателем (примеры = 212 * будет около 185 Ом, 160 * будет около 450 Ом, 100 * (недостаточно теплое) будет 1600 Ом). Объем масла Cummins b6.7

• Контроллер шагового двигателя L297 в первую очередь предназначен для использования с драйвером моста L298N или L293E в шаговом режиме… Блок-схема, рисунок 1, показывает типичную систему.
• Как работает шаговый двигатель? в частности, шаговые двигатели NEMA и 28BYJ-48. Цель: давайте сразу перейдем к вопросу о том, что еще одна серьезная проблема, касающаяся в основном шаговых двигателей, — это сила тока, которая проходит на каждой рассматриваемой катушке двигателя. Технические данные информируют нас об этих …
• Field p

Понимание компонентов и конструкции системы выпуска отработавших газов главного двигателя на судне

На судах — работа, выполняемая судовыми двигателями для обеспечения работы установки для обеспечения движения корабль требует сжигания топлива.Энергия, преобразованная внутри цилиндра двигателя, не является 100% -ным эффективным преобразованием, поскольку часть ее теряется в виде выхлопных газов.

Современная система выпуска отработавших газов судовых двигателей спроектирована таким образом, что неиспользованные газы, выходящие из цилиндров, далее направляются в турбокомпрессор и котел для отработавших газов, чтобы восстановить большую часть отработанной энергии.

Компоненты системы выпуска отработавших газов двигателя:

Для максимального использования энергии отходящих газов система выпуска отработавших газов судового двигателя оснащена следующими компонентами:

• Трубы для выхлопных газов
• Котел на отработанном газе
• Глушитель
• Искрогаситель
• Компенсаторы

Система выхлопных газов судового двигателя:

Система трубопроводов выхлопных газов отводит газ от выпускного отверстия турбокомпрессора (ов) в атмосферу.При проектировании системы выхлопных трубопроводов необходимо соблюдать следующие важные параметры:

• Расход выхлопных газов
• Максимальное противодействующее усилие от выпускного трубопровода турбокомпрессоров
• Температура выхлопных газов на выходе из турбокомпрессора
• Максимальный перепад давления в системе выпуска ОГ
• Максимальный уровень шума на выходе газа в атмосферу
• Достаточная способность к осевому и боковому удлинению компенсаторов
• Утилизация тепловой энергии выхлопных газов.

Выхлопные газы из блока цилиндров направляются в ресивер выхлопных газов, где уравновешиваются колебания давления, создаваемые различными цилиндрами. Отсюда газы, находящиеся под постоянным давлением, направляются в турбокомпрессор, где утилизируется отработанное тепло, чтобы обеспечить двигатель дополнительным продувочным воздухом.

Самое важное, что необходимо учитывать при проектировании системы выхлопных труб, — это противодавление турбонагнетателя. Противодавление в системе выпуска отработавших газов при указанной максимальной продолжительности работы двигателя (MCR) зависит от скорости газа и обратно пропорционально диаметру трубы в четвертой степени.Во избежание чрезмерных потерь давления в выхлопных трубах общепринятой практикой является то, что скорость выхлопных газов поддерживается на уровне от 35 до 50 м / с при заданном MCR. Другими факторами, влияющими на давление газа, являются установка EGB, искрогасителя и т. Д. На пути движения выхлопных газов.

При указанном MCR двигателя общее противодавление в системе выхлопных газов после турбонагнетателя (на которое указывает статическое давление, измеренное в трубопроводе после турбонагнетателя) не должно превышать 350 мм вод.ст. (0.035 бар). Чтобы иметь запас противодавления для окончательной системы, рекомендуется на этапе проектирования изначально использовать значение около 300 мм вод.ст. (0,030 бар).

Котел на отработанном газе:

Котел на утилизаторе

считается одной из самых эффективных систем утилизации отработанного тепла, разработанной для судоходства. Когда судовая двигательная установка работает с номинальной нагрузкой, вспомогательный котел можно отключить, поскольку EGB может генерировать необходимый пар для различных систем корабля.Выхлопные газы проходят через котел для выхлопных газов, который обычно размещается в верхней части двигателя или в воронке.

На эффективность EGB влияет потеря давления газов в котле, а параметры, определяющие потерю давления (температура выхлопных газов и расход), зависят от условий окружающей среды. Рекомендуемая потеря давления выхлопных газов через EGB обычно считается равной 150 мм водяного столба при указанном MCR. Если выхлопная система не оснащена дополнительным оборудованием (искрогаситель или глушитель), значение потери давления можно считать немного выше, чем указанное выше значение (150 мм вод.ст. при указанном MCR).

Глушитель

Машинное отделение играет важную роль в повышении уровня шума в жилых помещениях, который в настоящее время регулируется Конвенцией о труде в морском судоходстве.

Трубопроводы выхлопных газов, как правило, расположены близко к жилым помещениям, поэтому снижение шума от них важно. Чтобы получить уровень шума, он регистрируется на расстоянии 1 м от выходной кромки выхлопной трубы под углом 30 ° при условии, что выхлопная система двигателя не имеет EGB или глушителя.

Глушитель используется для снижения уровня шума в коллекторе выхлопных газов, и они обычно размещаются после EGB. Обычные глушители состоят из абсорбционной и реактивной камер. Они сконструированы для скорости газа 35 м / с, а реактивная камера эффективна только на одной частоте.

Последняя конструкция глушителя состоит из трех камер для преодоления ограничения (эффективности на одной частоте)

Эти три элемента состоят из реактивного элемента для ослабления низких частот, резистивного элемента-поглощающего глушителя для борьбы с более высокими частотами и комбинированного элемента как реактивного, так и резистивного элементов.Такая установка позволит эффективно снизить шум без увеличения противодавления на турбонагнетатель за счет настройки элементов в соответствии с двигателем во всем диапазоне шума.

Искрогаситель:

Работа судового двигателя при низкой нагрузке имеет тенденцию к образованию частично сгоревших углеродных отложений и сажи в системе трубопроводов выхлопных газов двигателя. Поскольку выхлопные газы, образующиеся после сгорания, богаты кислородом, эти частично сгоревшие частицы углерода выходят из выхлопной воронки в виде очень опасной искры.

В систему выхлопных труб может быть встроен искрогаситель для предотвращения распространения искр от выхлопных газов по рубке. Он расположен в конце системы выпуска отработавших газов двигателя.

Новая конструкция искрогасителя помогает газам создавать вращательные движения, заставляя их проходить через фиксированное количество лопастей, расположенных под углом. Тяжелые частицы углерода плавно собираются в специально разработанной камере для сажи, которую при необходимости можно очистить или слить.

Их можно комбинировать с глушителем как одно целое для экономии места или затрат.

Главный недостаток искрогасителя — значительный перепад давления. Для главного двигателя судна рекомендуется, чтобы общая потеря давления на глушителе и / или искрогасителе не превышала 100 мм водяного столба при заданном MCR.

Деформационные швы

Система выпуска отработавших газов двигателя испытывает огромные колебания температуры. Следовательно, невозможно собрать всю систему выхлопных трубопроводов как одно целое; несколько секций объединяются для завершения системы.Когда двигатель не работает, температура выхлопной трубы может изменяться от 10 до 40 градусов C (в зависимости от окружающей среды или географического положения судна), а когда двигатель запущен и работает, температура выхлопной системы превышает 200 градусов C. . Это значительное изменение температуры требует наличия соединений для безопасного поглощения теплового расширения и сжатия труб и систем трубопроводов.

Для этого используются сильфоны и компенсаторы. Они сконструированы таким образом, чтобы гарантировать, что они способны выдерживать нагрузки и избежать трещин, вызванных постоянным изменением температуры системы.Согласно закону Бойля: когда в НКТ попадают высокотемпературные жидкости, давление также увеличивается. Деформационные швы необходимы, чтобы выдерживать накапливающуюся дополнительную силу.

Компенсирующие муфты используются в системах труб и трубопроводов, а сильфоны обычно используются для соединения труб выхлопных газов с воронкой.

Компенсаторы должны быть выбраны с эластичностью, которая ограничивает силы и моменты на выпускном фланце выхлопных газов турбокомпрессора, как указано для каждого из производителей турбокомпрессора.

Компенсирующие муфты размещаются в различных местах, распространяя их в системе трубопроводов выхлопных газов судового двигателя.

Выше мы обсудили наиболее важные компоненты и функции системы выпуска отработавших газов судового двигателя на корабле. Если вы считаете, что мы что-то упустили, не стесняйтесь оставлять комментарии.

Технология концентрирующей солнечной энергии (CSP)

Технологии концентрирования солнечной энергии (CSP) Технологии концентрирования солнечной энергии (CSP) используют зеркала для концентрации (фокусировки) солнечной энергии света и преобразования ее в тепло для создания пара, который приводит в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию. Технология CSP использует сфокусированного солнечного света . Установки CSP вырабатывают электроэнергию, используя зеркала для концентрации (фокусировки) солнечной энергии и преобразования ее в высокотемпературное тепло. Затем это тепло передается через обычный генератор. Установки состоят из двух частей: одна собирает солнечную энергию и преобразует ее в тепло, а другая преобразует тепловую энергию в электричество. Краткое видео, показывающее, как работает концентрация солнечной энергии (на примере системы параболического желоба), доступно на веб-сайте Министерства энергетики по технологиям солнечной энергии. В Соединенных Штатах заводы CSP надежно работают более 15 лет. Все технологические подходы CSP требуют больших площадей для сбора солнечной радиации при использовании для производства электроэнергии в промышленных масштабах. Технология CSP использует три альтернативных технологических подхода: системы желобов, системы силовых опор и системы тарелки / двигателя. Системы желоба Желобные системы используют большие U-образные (параболические) отражатели (фокусирующие зеркала), у которых есть заполненные маслом трубы, идущие вдоль их центра или фокальной точки, как показано на рисунке 1.Зеркальные отражатели наклонены к солнцу и фокусируют солнечный свет на трубах, чтобы нагреть масло внутри до 750 ° F. Затем горячее масло используется для кипячения воды, благодаря чему пар запускается в обычные паровые турбины и генераторы. Щелкните фото ниже, чтобы просмотреть интерактивные панорамы сооружений параболического желоба. SEGS IX Параболический желоб 360 ° — Интерактивная панорама. Источник: Аргоннская национальная лаборатория. Один параболический желоб Невады — интерактивная панорама 360 °.Источник: Аргоннская национальная лаборатория Power Tower Systems Системы Power Tower , также называемые центральными приемниками, используют множество больших плоских гелиостатов (зеркал) для отслеживания солнца и фокусировки его лучей на приемнике. Как показано на рисунке 3, приемник расположен на вершине высокой башни, в которой концентрированный солнечный свет нагревает жидкость, такую ​​как расплавленную соль, до температуры 1050 ° F. Горячую жидкость можно сразу использовать для производства пара для выработки электроэнергии или хранить для дальнейшего использования.Расплавленная соль эффективно сохраняет тепло, поэтому ее можно хранить в течение нескольких дней, прежде чем превратить в электричество. Это означает, что электричество можно производить в периоды пиковой потребности в пасмурные дни или даже через несколько часов после захода солнца. Щелкните фото ниже, чтобы просмотреть интерактивную панораму сооружения ГЭС. Электростанция eSolar Sierra Suntower Power Tower — интерактивная панорама. Источник: Аргоннская национальная лаборатория Системы двигателя тарелки Системы антенны / двигателя используют зеркальные антенны (примерно в 10 раз больше, чем спутниковая антенна на заднем дворе) для фокусировки и концентрации солнечного света на приемнике.Как показано на рисунке 5, приемник установлен в центральной точке антенны. Чтобы уловить максимальное количество солнечной энергии, тарелка отслеживает солнце по небу. Ресивер интегрирован в высокоэффективный двигатель «внешнего» внутреннего сгорания. В двигателе есть тонкие трубки, содержащие водород или гелий, которые проходят по внешней стороне четырех поршневых цилиндров двигателя и открываются в цилиндры. Когда концентрированный солнечный свет падает на приемник, он нагревает газ в трубках до очень высоких температур, что приводит к расширению горячего газа внутри цилиндров. No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт