Irfz46N datasheet на русском: IRFZ46N описание на русском, аналоги, параметры, цоколевка

Схема преобразователя напряжения, принцип работы. Расчет мощности инвертора напряжения

Преобразование одного вида тока в другой требуется довольно часто. Способ превращения переменного в постоянный прост: применяется диодный мост и сглаживающий конденсатор.

А вот как из постоянного тока сделать переменный, знают не все. Между тем, в сфере электротехники такое преобразование, как будет показано далее, также выполняется довольно часто.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Усовершенствования схем инверторов

Приведенные в статье устройства крайне просты и по ряду функций не могут сравниться с заводскими аналогами. Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к несложным переделкам, которые к тому же позволят лучше понять принципы работы импульсных преобразователей.

Увеличение выходной мощности

Все описанные устройства работают по одному принципу: через ключевой элемент (выходной транзистор плеча) первичная обмотка трансформатора соединяется с входом питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.

Следовательно, ток, протекающий через выходной транзистор, равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Именно максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, и определяет максимальную мощность преобразователя.

Существуют два способа увеличения мощности инвертора: либо применить более мощный транзистор, либо применить параллельное включение нескольких менее мощных транзисторов в одном плече. Для самодельного преобразователя второй способ предпочтительнее, так как позволяет не только применить более дешевые детали, но и сохраняет работоспособность преобразователя при отказе одного из транзисторов. В отсутствие встроенной защиты от перегрузок такое решение значительно повысит надежность самодельного прибора. Уменьшится и нагрев транзисторов при их работе на прежней нагрузке.

На примере последней схемы это будет выглядеть так:

Автоматическое отключение при разряде аккумулятора

Отсутствие в схеме преобразователя устройства, автоматически отключающего его при критическом падении напряжения питания, может серьезно подвести Вас, если оставить такой инвертор подключенным к аккумулятору автомобиля. Дополнить самодельный инвертор автоматическим контролем будет крайне полезно.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

• трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
• тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
• блок управления вентильной группой;
• емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

• входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
• диодный мост;
• ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
• ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
• диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
• блок управления;
• выходной LC-фильтр.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

1. частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
2. амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;

3. 
   действующее значение

   . Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;
4. форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

1. он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
2. при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
3. сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

1. трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
2. индукционные нагреватели;
3. дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Распространенные схемы

Простой импульсный преобразователь

Схема этого устройства очень проста, а большинство деталей могут быть извлечены из ненужного блока питания компьютера. Конечно, у нее есть и ощутимый недостаток – получаемое на выходе трансформатора напряжение 220 вольт далеко по форме от синусоидального и имеет частоту значительно больше, чем принятые 50 Гц. Напрямую подключать к нему электродвигатели или чувствительную электронику нельзя.

Для того, чтобы иметь возможность подключать к этому инвертору содержащую импульсные блоки питания технику (например, блок питания ноутбука), применено интересное решение – на выходе трансформатора установлен выпрямитель со сглаживающими конденсаторами. Правда, работать подключенный адаптер сможет только в одном положении розетки, когда полярность выходного напряжения совпадет с направлением встроенного в адаптер выпрямителя. Простые потребители типа ламп накаливания или паяльника можно подключать непосредственно к выходу трансформатора TR1.

Основа приведенной схемы – это ШИМ-контроллер TL494, наиболее распространенный в таких устройствах. Частоту работы преобразователя задают резистор R1 и конденсатор C2, их номиналы можно брать несколько отличающимися от указанных без заметного изменения в работе схемы.

Для большей эффективности схема преобразователя включает в себя два плеча на силовых полевых транзисторах Q1 и Q2. Эти транзисторы нужно разместить на алюминиевых радиаторах, если предполагается использовать общий радиатор – устанавливайте транзисторы через изоляционные прокладки. Вместо указанных на схеме IRFZ44 можно использовать близкие по параметрам IRFZ46 или IRFZ48.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

• частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
• номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
• максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
• значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60…0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора.

Инверторы с встроенным солнечным контроллером

Теперь посмотрим насколько правильно встраивать солнечный контроллер внутрь инвертора. Вообще, солнечный контроллер необходим чтобы можно было солнечные панели (некоторые называют их солнечными батареями) подключить к аккумуляторам, к тем самым, к которым подключён инвертор. Солнечный контроллер преобразует энергию от высокого напряжения солнечных панелей в более низкое напряжение аккумуляторов. Таких инверторов со встроенным солнечным контроллером не много. Но у такого решения есть плюсы – ведь цена такого решения несколько ниже и, кроме того, проводов подключения будет чуть меньше. Теперь посмотрим на минусы такого решения. Высококачественные и мощные солнечные контроллеры (имеющие КПД 98%, высокое входное напряжение и управление внешними нагрузками) довольно большие и внутрь инвертора их не вставишь. Посмотрите на разобранный солнечный контроллер КЭС Dominator 200/100.

Поэтому контроллеры заряда, встроенные в инверторы, как и встроенные стабилизаторы, несколько урезаны по своим возможностям.

Сравните на фото инвертор со встроенным солнечным контроллером (слева) и два полноценных отдельных солнечных контроллера. Отдельный контроллер по размеру это почти половина инвертора. Разница в функционале и параметрах у них тоже заметна.

Другой минус – в случае порчи солнечного контроллера, придётся отдавать в ремонт всё устройство, т.е. лишаться и инвертора. Равно как и в случае порчи инвертора, лишаться и контроллера.

В общем, самые дорогие и качественные брендовые инверторы никогда не содержат в себе ни стабилизаторов, ни солнечных контроллеров. Поэтому, само их наличие в инверторе, говорит о уровне изделия. Говорит о том, что ради рекламы присутствия эфемерных преимуществ или вроде бы, как бы, более низкой цены (по сумме якобы двух продуктов в одном), производитель готов идти на некий компромисс с реальной целесообразностью. Особенно это касается встроенного стабилизатора. Наш совет-приобретать инверторы с встроенным стабилизатором или со встроенным солнечным контроллером, можно при стеснении в средствах, и при условии их использования не в полной автономии, а как резервной системы.

Виды по способу переключения тока

Отдельно выделенный на схеме рисунка 3 формирователь выходного напряжения 220 или 380 В, который обязательно присутствует в составе любого инвертора, реализуется только по импульсной схеме.

Выгодность такого решения определяется тем, что при нахождении ключевого полупроводникового элемента в полностью открытом и полностью закрытом состоянии за счет минимального напряжения или, соответственно, минимального тока достигается значительное снижение мощности бесполезных потерь энергии.

Все это позволяет нарастить общий КПД устройства до значений свыше 90%, рисунок 4.

Рисунок 4. Мгновенное и среднее КПД инвертора импульсного типа

Фактически основные потери происходят в момент перехода их одного состояния в другое, что определяет наличие дополнительных высоких требований к ключевым элементам устройства и их быстродействия.

Особенность импульсных схем состоит в том, что в отличие от аналоговых, выходное напряжение представляет собой не чистую, а т.н. аппроксимированную синусоиду.

Где используется и как включается

Применительно к солнечной энергетике автономный инвертор как устройство, которое выполняет в первую очередь функции выбора одного из возможных источников электроснабжения, устанавливается между выходом солнечной батареи и вводным щитком.

Место установки диктуется простыми соображениями: потребитель электричества не должен знать, от какого источника он получает электроэнергию в данный конкретный момент времени, а необходимое качество этой энергии, в т.ч. в момент переключения между источниками, определяется выбором соответствующих схемных решений и используемой элементной базы.

Из соображений обеспечения максимальной эксплуатационной гибкости внутридомовой проводки подключение внешнего ввода физически также может осуществляться на домовой вводной щиток, что отдельно выделено на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема взаимодействия внешней сети, автономного инвертора, вводного щитка и потребителей в штатном режиме работы

При этом данный ввод снабжается всеми необходимыми аксессуарами и автоматами для защиты от короткого замыкания, чрезмерно больших токов утечки и аналогичных им.

Сильная сторона такого подхода заключается в том, что позволяет в случае необходимости, без проблем простой перекоммутацией буквально нескольких выводов перейти на типовую схему электроснабжения, в которой отсутствуют альтернативные источники.

Полупроводниковые и системные решения – Infineon Technologies

2023 финансовый год
Итоги квартала

4 мая 2023

Больше информации

Ускорьте переход на новые источники энергии с помощью тепловых насосов

Наши компоненты и системные решения делают современные тепловые насосы более интеллектуальными и эффективными — от управления мощностью и подключения до ЧМИ и датчиков

Узнать больше

PCIM Europe 2023

С 9 по 11 мая. Зал 7 / Стенд 412. В этом году мы все о декарбонизации и цифровизации

Полная программа здесь

Лучший в своем классе SSO8 в OptiMOS™ 7 40 В

Высокая энергоэффективность, повышенная надежность конструкции, сниженные коммутационные потери и оптимизированный SOA для переключения больших токов

Открой для себя больше

Формирование промышленного Интернета вещей путем расширения возможностей «умных» заводов

Переход к эффективным, устойчивым, гибким и безопасным «умным» заводам уже начался благодаря легко интегрируемым полупроводниковым решениям

Узнать больше

Твердотельные реле (ТТР) на основе SJ-FET

Обновление до технологии CoolMOS™ S7 с суперпереходом MOSFET с лучшим в своем классе R(on) x A для более эффективных и надежных решений SSR

Найти продукт

SECORA™ Pay теперь доступна с технологией 28 нм

Мы расширяем портфолио решений SECORA™ Pay с использованием технологии 28 нм для обеспечения наилучшей производительности транзакций в сочетании с простым в интеграции полносистемным решением

Узнать больше

Новости

27 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon предлагает инновационное решение для второй жизни аккумуляторов электрических легковых автомобилей

03 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon оптимизирует свой профиль обезуглероживания: подразделение промышленных приложений будет работать под названием Green Industrial Power (GIP)

Новости рынка

28 апреля 2023 г. | Новости рынка

Решения Infineon EZ-PD™ USB-C PD позволяют создавать передовые мультимедийные решения и решения для зарядки автомобилей

Посетите Infineon в Twitter спросил 2 года, 6 месяцев назад

Изменено 2 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 515 раз

\$\начало группы\$

В настоящее время я пытаюсь найти N-канальный полевой МОП-транзистор, который будет действовать как переключатель, которым будет управлять мой Arduino, и до сих пор я наткнулся на два конкретных МОП-транзистора, которые, похоже, хорошо подходят для моего приложения. пытаюсь сделать.

Первый вот этот: https://components101.com/mosfets/irfz44n-datasheet-pinout-features
Второй вот этот: https://www.infineon.com/cms/en/product/power /mosfet/12v-300v-n-channel-power-mosfet/irlz44n/.

Для первого МОП-транзистора в этой ссылке указано, что МОП-транзистор включится, начиная с 4 В, и не включится полностью, пока не превысит 10 В, поэтому рекомендуется использовать второй МОП-транзистор, который я связал. Я новичок в этом, поэтому мне было интересно, как я узнаю, что для полного включения первого полевого МОП-транзистора требуется 10 В? Я просмотрел техническое описание и, хотя большую часть его не понимаю, увидел раздел, помеченный как Vgs(TH). Заявленное минимальное напряжение составляет 2 В, а максимальное заявленное напряжение составляет 4 В. Значит 2В ничего не значит? Почему в таблице данных указано, что 4 В – это максимальное значение Vgs (TH)? Глядя на абсолютные максимальные номиналы, кажется, что Vgs не должен приближаться к 20 В, так откуда я знаю, что при 10 В он начнет полностью включаться для использования в качестве переключателя?

В ссылке на первый МОП-транзистор также рекомендуется использовать второй МОП-транзистор, который я связал, если я хочу использовать микроконтроллер для управления транзистором.

Они пришли к такому выводу, потому что второй полевой МОП-транзистор можно полностью включить, используя 5 В от Arduino.

• МОП-транзистор
• переключатели
• техническое описание
• насыщение

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

В этом конкретном случае вы можете сказать, что второй вариант является лучшим выбором, так как Rds(on) указан до 4В, но в первом случае Rds(on) указан только при 10В.

В приложениях переключения питания я обычно стараюсь придерживаться MOSFET, у которых Rds(on) указан в Vgs, который я буду использовать (или ниже).

Vgs(th) лишь незначительно полезен при определении приложений переключения питания. Причина в том, что Vgs(th) обычно определяется как напряжение затвор-исток, когда ток стока = 250 мкА или 1 мА или какой-либо другой низкий ток.