Вопросы по электронике и электротехнике

[Paul Kellerman]

Думаю, что в нашей стране среди преподаваталей достаточно, как
домашних радиолюбителей, так и профессиональных специалистов.
Предлагаю в этой теме обсуждать как теоретические вопросы, так и
практический опыт работы в области электроники. Короче, тема для
всех, кто давно и много работает с паяльником и есть, что рассказать.

Традиционно, как создатель темы, задам свои собственные вопросы:
Буду рад, если кто поделится практическим опытом в использовании:

- Оптических датчиков уровня воды фирмы Honeywell серий LLE или LLN.
- Твердотельных силовых реле (оптотиристорного типа) фирмы CRYDOM.

Как правильно схемотехнически подключать, какие с ними есть нюансы.

[Paul Kellerman]

Следующий вопрос по части источников питания. Озаботился собрать
блок питания на 12 В с током нагрузки до 20 А для самых разных нужд.
Как обеспечить стабильность выходного напряжения при таком токе?
Кому доводилось собирать подобные блоки? Это обязательно импуль-
сный блок уже должен быть или есть возможность обеспечить необхо-
димую мощность на классическом выпрямителе с линейным компенса-
ционным стабилизатором на выходе? Поделитесь опытом, кто собирал.
Желательно, чтобы схема была не слишком сложной и дорогостоящей.

[Chief CLMiS]

PavelAR
Желательно, чтобы схема была не слишком сложной и дорогостоящей.
Как правило, подобные варианты встречались в журнале "Радио". Посмотрите http://publ.lib.ru/ARCHIVES/R/ http://www.radio.ru/archive

[Sanchez]

Классическая схема будет проще, конечно. Поэтому наверное и дешевле (хотя не знаю стоимость транса на такой ток). Но вес - огого!
Импульсный БП гораздо меньше по размерам будет. Кстати, а чем не подходит оный от компьютера? Там как раз 12 вольт и большие токи может держать (не китайский, конечно).

[Paul Kellerman]

Chief CLMiS
Спасибо посмотрю. Много схем уже видел и некоторые пропобовал
на коленке спаять, но реальный коэффициент стабилизации совер-
шенно не удовлетворяет: при токе даже 1А, напряжение на нагру-
зке "проседает" на 10-15%. Мне нужно, чтобы было не более 0,1%.

Sanchez
Силовой трансформатор считается заданным и его менять нельзя.
Схема должна быть умещена на плате размером не более 5 x 7 см.
То есть, имеется некое изделие, в котором уже есть необходимый
трансформатор, и очень ограниченное место для платы со схемой.
Поэтому количество деталей должно быть минимальным, учитывая
то, что на силовые транзисторам потребуется радиаторы крепить.

P.S. Опытные радиолюбители пишут, что импульсные блоки пита-
ния при всех своих преимуществах на порядок менее надежные,
чем классические, да и много в них дорогостоящих и высоковоль-
тных элементов. И, кстати, статистика "сдыхания" компьютерных
блоков на базе личного опыта и опыта коллег подтверждает это.

[Sanchez]

Да, импульсники капризные. Это и понятно - в силу их более сложной схемы. Классический вариант тут выигрывает - там деталей-то всего ничего :) Но масса...
Я несколько лет назад работал в качестве ремонтника ИБП, там принципы похожие.. и проблемы, где-нибудь забудешь что-то проверить, и бац на транзистор 1000 вольт - дым, искры :)

[Paul Kellerman]

Sanchez
Мне больше приходится сталкиваться с блоками питания коммутаторов,
они в большинстве своем нестандартизованные (особенно по размерам)
и если горят, то их не поменяешь, как комповый блок питания за 20-50$.
Если не удается починить, остается только новый коммутатор покупать,
а стоимость может колебаться от сотен баксов до сотен тысяч баксов :)
Так что, если совсем не удается починить сгоревший, приходится паять
более простой свой собственный, подгоняя его под жесткие габариты.

[Paul Kellerman]

Пока что удалось снизить "проседание" выходного напряжения до 1%
при нагрузке 1А - это уже получше, но еще далеко не фонтан. Сейчас
немного "подвис", поскольку жду поставки радиодеталей из Платана:
мощные транзиторы с высоким коэффициентов усиления по току, инте-
гральные стабилизаторы со специальным входом для обратной связи...

Кстати вопрос, где можно скачать программные пакеты типа Microcap
для компьютерного моделирования электрических схем (пока что пре-
имущественно аналоговых, хотя поддержка цифровых элементов - это
будет только плюсом), причем моделирование детальное, чтобы в лю-
бой точке схемы можно было следить за током, напряжением и не толь-
ко за их уровнем, но и за формой сигнала. А то я уже опух от решения
дифференциальных уравнений и взятия неберущихся интегралов при
решении матмоделей, составляемых по всем правилам ТОЭ. Maple мне,
конечно, здорово помогает в математических преобразованиях и осо-
бенно с построением замороченных графиков и, все же, это все-таки
матпакет, а не среда для моделирование электрических схем. Причем
мои безграничные претензии к точности исключают какие-либо приб-
лиженные формулы или численные методы, только точные формулы :)

Вот вам одна из полученных: точная формула кривой выходного напря-
жения, получаемого на выходе простого RC-фильтра при подаче на его
вход переменного напряжения в форме абсолютной синусоиды. То есть
на вход подаем сигнал X(t) = U * |sin(wt)|, где U - амплитуда синусоиды.

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (Pi*[t/(Pi/w)]/wRC)
* * * * * * * * / * * w*R*C * * * * * * *- t/RC * * * * * * * * *e * * * * * * * * * * *- * * * * 1
Y(t) = U* |* ------------------- * e * * * ** (1 + 2 * -------------------------------- ) *-
* * * * * * * * \ *1 +(w*R*C)^2 * * * ** * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * - Pi/wRC
* * * * * ** * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 1 *- * e

* * * * * * * * * * * * * * *cos (wt + arctg(1/wRC)) *\ * * * * * *
- ((-1)^[t/(Pi/w)])* ------------------------------ *| *
* * * * * * * * * * * * * * *(1 +(w*R*C)^2)^(1/2) * */


Здесь, квадратные скобки [] означают взятие целой части от деления.
Я всеми силами пытался избавиться от такой неприятной дискретности,
учитывая что кривая выглядит очень даже непрерывной, но моих скро-
мных математических познаний не хватило. Буду премного благодарен
тому, кто сможет преобразовать формулу и убрать эту дискретность :)

И кстати, вопрос немного в сторону: ведь понятно, что как не старайся,
но все равно некоторая пульсация присутствует в выходном сигнале, а
значит здесь, как и в случае с переменным напряжением, также можно
говорить о "действующем" напряжении. Чем меньше пульсаций, соот-
ветственно, более явно можно выявить уровень действующего напря-
жения, но нельзя точно сказать, сколько, все очень приближенно... А
хотелось бы вот именно иметь формулу, которая позволяла рассчитать
действующее (реальное) напряжение на выходе фильтра. У меня есть
две формулы, полученные двумя разными путями. Одна, если говорить,
простым языком, является просто некой "огибающей" к кривой Y(t), и
пульсации происходят именно относительно нее, но при больших пуль-
сациях она дает немного заниженные значения. Вторая получена не-
много необычным способом (то есть изврат не только математический,
но и электротехнический): я рассудил, а что если выпрямленную сину-
соиду, заменить на прямую на такой высоте по оси напряжения, что за
период колебаний и прямая и выпрямленная синусоида "очерчивают"
фигуры равной площади, то есть "колпак" синусоиды с осью времени
образует одну площадь, и мы легко находим такую прямую, параллель-
ную оси времени t, которая за тот же период времени даст такую же
площадь, и, соответственно, высота на которой находится прямая над
осью времени и даст искомое эквивалентное постоянное напряжение.
А рассчитать кривую на выходе RC-фильтра при подаче на него едини-
чного импульса заданного уровня напряжения - это пустяки, это всего
лишь линейная диффура первого порядка в два счета решающася опе-
раторным методом. Таким образом получается вторая формула. Самое
интересно, что кривая по первой формуле стремится к кривой по вто-
рой формуле при снижении размаха пульсаций. Есть мнение, что вто-
рая формула - это и есть то, что я так долго искал. Первая, типа, хоть
и сложнее по виду, но менее адекватная... Парадокс, однако... Хотя...

P.S. Ах да... обе выведенные формулы напишу завтра, на память не по-
мню, хотя же, блин, ведь сам мучился выводил, что за девичья память :)

[Chief CLMiS]

PavelAR
где можно скачать программные пакеты типа Microcap
Еще можете ориентироваться на более простой и "легкий" вариант - программу Electronics Workbench, которая хоть и значительно проще Microcap, но для простых задач, не требующих учета влияния многих особенностей радиоэлементов, она подойдет лучше.
Ссылка на Workbench http://radioman-portal.ru/program/upload/54cc57a84c8c8f3.shtml
правда, это далеко не самая последняя версия, но весит немного, а подобные задачи решает. Если найду ссылку на Microcap - скину.
что если выпрямленную синусоиду, заменить на прямую на такой высоте по оси напряжения, что за
период колебаний и прямая и выпрямленная синусоида "очерчивают"
фигуры равной площади
Есть мнение, что вторая формула - это и есть то, что я так долго искал
Если иначе, то действующее напряжение - значение постоянного напряжения, при котором на одном и том же сопротивлении будет рассеиваться такая же мощность, как и от изначального непостоянного напряжения. Азы электротехники :) Действующее значение, например, для синусоидального напряжения Uд = U0/sqrt(2), где U0 - амплитудное значение напряжения, и получается оно путем интегрирования квадрата напряжения по времени, нормирования результата к периоду (например, пульсаций) и извлечению корня для приведения размерности. Поэтому, я полагаю, в вашем случае надо таким же образом проинтегрировать выходное напряжение фильтра, отнести к периоду и взять квадратный корень. Кстати, нашел и ссылочку на примеры расчета для распространенных форм сигнала http://imlab.narod.ru/Energy/Invertor/Inv_01.ht

[Paul Kellerman]

Chief CLMiS
Азы электротехники
Я в курсе этих азов :) И в курсе, как считать действующее напряжение
для обычной синусоиды. Я расписал все подробно, потому что, если вы
заметили, на входе не обычная синусоида, а "абсолютная синусоида" :)
Если бы речь шла об обычной синусоиде, я бы вообще не поднимал бы
темы, а просто заглянул в свои институтские лекции и учебники по ТОЭ.

За ссылку на Workbench спасибо. Позже скачаю и посмотрю, что умеет.
Посмотрел материалы по второй ссылке, опять же там сигналы "неабсо-
лютные", то есть они колеблются в обоих полуплоскостях напряжения.

Ну а теперь о выведенных формулах, которые описывают "огибающие":

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * - t / RC
* * * * * * * * * U*w*R*C*(1 - e * * * * * * ) * cth (Pi / (2*w*R*C))
Y1(t) = * *---------------------------------------------------------------
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * 1 + (w*R*C)^2 * * * * * * * * * * * *

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
* * * * * * * * *2 * * * * * * * * * * *- t / RC
Y2(t) = * * *---- * *U * (1 - e * * * * * * )
* * * * * * * * *Pi

Как видите, действующая составляющая по второй формуле не совсем
U / sqrt (2) ~ 0.707*U, на самом деле: 2*U / Pi ~ 0.636 * U. Такие дела.

Но самое главное, я вчера понял, что хотя обе формулы получены сов-
сем разными и весьма извратными путями (первая путем апроксимации
Y(t) кривой, проведенной через дискретные точки при t = k*P i /w, где
k - целое число, вторая путем замены сложного входного сигнала экви-
валентным прямоугольными импульсами с преобразованием амплитуды)
эти формулы глубоко взаимосвязаны и описывают одно и тоже с разным
уровнем адекватности, проще говоря, вторая является частным случаем
первой формулы в области, когда w*R*C >> 1. Попробуем это доказать.

Посмотрим во что превращается формула 1 при w*R*C >> 1. В знамена-
теле единица становится несущественной, и дробь wRC / (1 + (wRC)^2)
упрощается до просто 1/(wRC). Теперь смотрим на котангенс. Вспомина-
ем, что cth(x) = (exp(x) + exp(-x)) / (exp(x) - exp(-x)), в нашем случае x -
это дробь Pi/(2wRC). Поскольку w*R*C >> 1, то дробь становится беско-
нечно малой, и в этой ситуации exp(x) ~ 1 + x, exp(-x) ~ 1 - x, подставив
эти выражения в формулу котагенса имеем: ((1+x)+(1- x))/((1+x)-(1-x)) =
1 / x = *(2*w*R*C) / Pi. В итоге формула 1 при w*R*C >> 1 упрощается:
(1/(w*R*C))*U*(1-exp(-t/RC))*((2*w*R*C) / Pi) = (2/Pi)*U*(1-exp(-t/RC)).
А это, как видим, не что иное, как формула 2. Утверждение доказано.

Таким образом, формула 1 более общая и описывает "огибающую" при
произвольных w, R и C, а формула 2 - "предельная огибающая", в част-
ном случае когда w*R*C >> 1, когда пульсации выхода сводятся на нет.
Так что, парадокса никакого нет, формула 1 более общая и более адек-
ватная, а формула 2 это просто предельный частный случай формулы 1.