Электронный генератор электрической энергии

Электронные генераторы. Виды и устройство. Работа и особенности

Устройства, преобразующие электроэнергию источника постоянного тока в незатухающую энергию электрических колебаний расчетной частоты и формы, называются электронные генераторы.

Электронные генераторы

Такие генераторы приобрели популярность в электронике, компьютерной технике, радиоприемниках. Генераторами может выдаваться сигнал частотой до нескольких мегагерц. Форма выходного напряжения имеет формы синусоиды, прямоугольника и пилы.

Контур колебаний получает возбуждение от наружного источника тока, появляются колебания, которые со временем затухают, так как сопротивление поглощает энергию. Чтобы колебания не затухали, в контуре нужно восполнять потерю энергии. Этот процесс восполнения выполняется положительной обратной связью. Эта связь подает в контур некоторую часть сигнала, который должен совпадать с сигналом обратной связи.

Электронные генераторы состоят из следующих частей:

• Контур колебаний, задающий частоту генератора.
• Усилитель, повышающий амплитуду сигнала на выходе контура колебаний.
• Обратная связь, подающая некоторое количество энергии в контур.

Электронные генераторы используют постоянный ток для образования колебаний переменного тока, и являются схемами с положительной связью.

Классификация

Электронные генераторы делятся на несколько классов по различным параметрам. Рассмотрим основные разновидности таких генераторов.

По форме сигнала:

• В виде синусоиды.
• Прямоугольные.
• В форме пилы.
• Специальные.

По частоте:

• Высокочастотные (более 100 килогерц).
• Низкочастотные (менее 100 килогерц).

По возбуждению:

• С независимым возбуждением.
• Автогенераторы (самовозбуждение).

Автоматическим генератором называют устройство, которое самостоятельно возбуждается, без воздействия извне, преобразует поступающую энергию в колебания. Электронные генераторы выполняются по схемам, аналогичным усилителям, за исключением отсутствия питания сигнала входа. Вместо него используют обратную связь, которая является передачей некоторого количества сигнала выхода на вход.

Определенная форма сигнала создается обратной связью. Частота колебаний создается на цепях RС или LС, и зависит от времени зарядки емкости. Сигнал обратной связи приходит на вход усилителя, где повышается в несколько раз и выходит. Часть сигнала возвращается и ослабевает в несколько раз, что дает возможность поддерживать одинаковую амплитуду сигнала на выходе.

Генераторы с внешним видом возбуждения считаются усилителями мощности с определенным частотным интервалом. На его вход подается сигнал от автогенератора, усиливается определенный интервал частот.

Электронные генераторы RС

Для образования низкочастотных генераторов применяют усилители. В них вместо обратной связи монтируют RС цепи для создания некоторой частоты колебаний. Эти цепи являются фильтрами частоты, которые пропускают сигналы в специальном интервале частот и не пропускают за его пределами. По обратной связи возвращается некоторая полоса частот.

Типы фильтров

• Низкочастотные фильтры.
• Высокочастотные фильтры.
• Полосовые фильтры.
• Заграждающие фильтры.

Характеристикой фильтра является частота среза. Если взять положение ниже этой частоты, или выше, то сигнал значительно уменьшается. Заграждающие и полосовые фильтры имеют характеристику в виде ширины полосы.

На рисунке изображена цепь генератора с синусоидальным сигналом. Усиление определяется цепью обратной связи R1, R2. Для создания нулевого сдвига по фазе обратная связь подключена от выхода усилителя на неинвертирующий его вход. Цепь обратной связи выступает в качестве полосового фильтра.

Для стабилизации величины частоты пользуются кварцевыми резонаторами, которые состоят из минеральной тонкой пластины, закрепленной в держателе. Кварц славится своим пьезоэффектом. Это дает возможность применять его в качестве системы, аналогичной колебательному контуру со свойством резонанса. Частота резонанса пластин колеблется от единиц до тысяч мегагерц.

Мультивибраторы

Эти электронные генераторы создают колебания формы прямоугольника, являются 2-х каскадным усилителем с обратной связью на основе резисторов. Выходы каскадов соединены со входами. Название этого генератора объясняет наличие значительного количества гармоник.

Мультивибратор способен действовать в нескольких режимах:

• Автоколебательный режим.
• Синхронизация.
• Ждущий режим.

В первом виде режима мультивибратор работает с самовозбуждением. При синхронизации на генератор оказывает воздействие внешнее напряжение с частотой импульсов. Ждущий режим подразумевает работу с внешним возбуждением.

Автоколебательный режим мультивибратора

Устройство мультивибратора включает в себя два каскада усилителя с резисторами. Выходы каскадов подключены ко входам других каскадов через емкости С1 и С2.

Мультивибраторы с аналогичными транзисторами и симметричными компонентами имеют название симметричных.

В режиме автоколебаний мультивибратор может находиться в 2-х состояниях равновесия:

1. Один транзистор в насыщении, второй в отсечке.
2. Первый транзистор на отсечке, другой в насыщении.

Такие положения неустойчивы. Одна схема переходит в другую с эффектом лавины с помощью обратной связи. Для оптимизации формы импульсов на выходе генератора подключают разделительные диоды в схемы коллекторов. Через диоды подключают вспомогательные резисторы.

По такой схеме после закрытия одного транзистора и уменьшения потенциала коллектора диод тоже закрывается. При этом он отключает конденсатор от цепи. Конденсатор заряжается через вспомогательный резистор. Наибольшая длина импульсов определяется параметрами частоты транзисторов.

Такой тип схемы дает возможность создать импульсы практически прямоугольной формы. В качестве недостатков можно отметить малую скважность и невозможность плавного регулирования периода колебаний.

По такой схеме резисторы R2 и R5 включены параллельно емкостям С1 и С2. Резисторы R(1, 3, 4, 6) создают делители напряжения, которые стабилизируют потенциал базы транзистора. При коммутации мультивибратора ток базы резко меняется. Это уменьшает время снижения зарядов в базе и увеличивает скорость выхода транзистора из насыщения.

Ждущий мультивибратор (одиночный)

Если мультивибратор действует в режиме автоколебаний и не имеет устойчивости, то его можно преобразовать в генератор с одной устойчивой позицией и одной неустойчивой позицией. Такие цепи имеют название одновибраторов (релаксационных реле). Чтобы перевести схему из одного состояния в другое, необходимо воздействие внешнего импульса.

В неустойчивой позиции цепь находится некоторое время, зависящее от ее параметров. Далее она скачкообразно возвращается в устойчивую позицию. Чтобы получить ждущий режим генератора, необходимо собрать следующую схему:

В исходном положении транзистор VТ1 находится в закрытом виде. При поступлении на вход плюсового импульса по транзистору идет ток коллектора. При изменении разности потенциалов на транзисторе VТ1 оно подается через емкость С2 на базу VТ2. С помощью обратной связи повышается лавинный эффект, который приводит к закрытию VТ2 и открытию VТ1.

В такой неустойчивой позиции схема находится до полного разряда емкости С2. Далее транзистор VТ2 открывается, VТ1 закрывается. Положение схемы возвращается в первоначальную позицию.

Электронные генераторы

Генераторами называются электронные устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (электромагнитных колебаний) различной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д.

Ни одна электронная система не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих темп ее работы. Основные требования к генераторам – стабильность частоты колебаний и возможность снятия с них сигналов для дальнейшего использования.

Классификация электронных генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

— сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

— сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения;

— сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний (условно):

— низкой частоты (до 100 кГц);

— высокой частоты (свыше 100 кГц).

3) по способу возбуждения:

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Автогенератор — генератор с самовозбуждением, без внешнего воздействия преобразующий энергию источников питания в незатухающие колебания, например, колебательный контур.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора

Схемы электронных генераторов (рисунок 1) строятся по тем же схемам, что и усилители, только у генераторов нет источника входного сигнала, его заменяет сигнал положительной обратной связи (ПОС). Напоминаем, что обратная связь — это передача части выходного сигнала во входную цепь. Необходимая форма сигнала обеспечивается структурой цепи обратной связи. Для задания частоты колебаний цепи ОС строятся на LC или RC-цепях (частоту определяет время перезаряда конденсатора).

Сигнал, сформированный в цепи ПОС, поступает на вход усилителя, усиливается в К раз и поступает на выход. При этом часть сигнала с выхода возвращается на вход через цепь ПОС, где ослабляется в К раз, что позволят поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала генератора.

Генераторы с независимым внешним возбуждением (избирательные усилители) являются усилителями мощности с соответствующим частным диапазоном, на вход которых подаётся электрический сигнал от автогенератора. Т.е. происходит усиление только определенной полосы частот.

Для создания генераторов низкой частоты обычно используют операционные усилители, в качестве цепи ПОС устанавливают RC-цепи для обеспечения заданной частоты f0 синусоидальных колебаний.

RC-цепи представляют собой частотные фильтры — устройства, пропускающее сигналы в определённом диапазоне частот и не пропускающее в не этого диапазона. При этом по цепи обратной связи на вход усилителя возвращается, а значит и усиливается только определённая частота или полоса частот.

На рисунке 2 показаны основные типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ показывает пропускную способность фильтра в зависимости от частоты.

Рисунок 2 – Типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика

— фильтры нижних частот (ФНЧ);

— фильтры верхних частот (ФВЧ);

— полосовые частотные фильтры (ПЧФ);

-заграждающие частотные фильтры (ЗЧФ).

Фильтры характеризуются частотой среза fc, выше либо ниже которой идет резкое ослабление сигнала. Полосовые и заграждающие фильтры характеризуются также шириной полосы пропускания у ПЧФ (непропускания у ЗЧФ).

На рисунке 3 приведена схема синусоидального генератора. Необходимый коэффициент усиления задаётся с помощью цепи ООС на резисторах R1, R2.Для обеспечения сдвига по фазе равного 0, цепь ПОС подключена между выходом ОУ и его неинвертирующим входом. При этом цепь ПОС представляет собой полосовой фильтр. Частота резонанса f0 определяется по формуле: f0 = 1/(2πRC)

Для стабилизации частоты генерируемых колебаний в качестве частотозадающей цепи используют кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом, что позволяет использовать его как систему, эквивалентную электрическому колебательному контуру и обладающую резонансными свойствами. Резонансные частота кварцевых пластин лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до тысяч МГц с нестабильностью частоты, обычно порядка 10 -8 и ниже.

Рисунок 3 – Схема RC-генератора синусоидальных сигналов

Мультивибраторы — это электронные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

На рисунке 4 приведена схема симметричного мультивибратора на ИОУ. Симметричный – время импульса прямоугольного импульса равно времени паузы tимп = tпаузы.

ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2, действующей одинаково на всех частотах. Напряжение на неивертирующем входе постоянно и зависит от сопротивления резисторов R1,R2. Входное напряжение мультивибратора формируется при помощи ООС через цепочку RC.

Рисунок 4 – Схема симметричного мультивибратора

Уровень напряжения на выходе изменяется с +Uнас на -Uнас и обратно.

Если напряжение выхода Uвых = +Uнас конденсатор заряжается и напряжение Uс, действующее на инвертирующем входе возрастает по экспоненциальному закону (рис. 5).

При равенстве Uн = Uс произойдёт скачкообразное изменение выходного напряжения Uвых = -Uнас, что вызовет перезаряд конденсатора. При достижении равенства -Uн = -Uс снова произойдёт изменение состояние Uвых. Процесс повторяется.

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы мультивибратора

Изменение постоянной времени RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2tи = 1/[2 ln(1+2 R1/R2)]

При необходимости получить несимметричные прямоугольные колебания для tи ≠ tп, используют несимметричные мультивибраторы, в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепочкам с различными постоянными времени.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса. Одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В технической литературе встречается еще одно название одновибратора – ждущий мультивибратор.

Одновибратор обладает одним длительно устойчивым состоянием равновесия, в котором он находится до подачи запускающего импульса. Второе возможное состояние является временно устойчивым. В это состояние одновибратор переходит под действием запускающего импульса и может находиться в нем конечное время tв, после чего автоматически возвращается в исходное состояние.

Основными требованиями к одновибраторам являются стабильность длительности выходного импульса и устойчивость его исходного состояния.

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону (пилообразные импульсы).

Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода tр, длительностью обратного хода tо и амплитудой Um (рисунок 6, б).

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рисунок 6, а.

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С2 заряжается от источника питания Uп через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое уменьшение выходного напряжения до нуля – обратный ход.

ГЛИН применяются в устройствах развертки луча в ЭЛТ, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устройствах.

Рисунок 6 – а) Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения б) Временная диаграмма импульсов пилообразной формы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Становимся независимыми от электричества: выбираем генератор для дома

Узнайте о том, какие типы генераторов существуют, и как подобрать подходящую модель для своего дома. Рейтинг лучших генераторов 2019 года тоже здесь.

Генераторы являются чуть ли не единственным спасением, когда отключили свет в доме или произошла авария на ЛЭП, питающей вашу улицу. Существуют компактные инверторные модели для «скорой помощи» при отключении света, средние по мощности бензиновые генераторы, обеспечивающие резервное питание в доме, и даже дизельные «звери», без которых просто не обойтись на большом объекте. Какой генератор купить для дома? Разложим все по полочкам и приведем пример лучших в своей категории генераторов.

Параметры выбора генераторов для дома

Тип топлива

Наиболее часто применяются для дома дизельные и бензиновые генераторы (модели на газу рассматривать не будем в связи со сложностью их обслуживания и высокой мощностью, которая для дома не нужна):

• Бензиновые. Бензиновые модели менее мощные, чем дизельные и стоят гораздо дешевле. Также они менее шумные (хотя тихими их не назовешь). Однако из-за относительно невысокой мощности (в сравнении с дизельными) их удобнее всего использовать лишь как резервный источник питания или брать на природу, чтобы пользоваться там электричеством. Если вам необходимо подстраховаться на случай отключения электроэнергии, то бензиновая модель — то, что нужно.
• Дизельные. Дизельные агрегаты имеют больший ресурс, чем бензиновые и гораздо мощнее, что делает их весьма удобными для получения электроэнергии на строительном объекте, для запитки мощных приборов, например, сварочного аппарата. Однако такие модели стоят на порядок дороже бензиновых аналогов, да и сам дизель, как топливо, уже догнал по стоимости бензин, поэтому сэкономить не получится. Дизельные агрегаты стоит приобретать тем, кто планирует использовать устройство, как основной источник электричества, например, на даче или для работы на стройке.

Отметим также, что существуют бензиновые инверторные модели. Главное их преимущество — это компактность, небольшой вес и относительно невысокая шумность. Их можно даже брать с собой на природу. Но они практически все низкой мощности, поэтому в роли резервного питания не подойдут (разве что для холодильника и электроники). Также, если выйдет из строя управляющая плата, то замена ее будет стоит около 80 % стоимости всего генератора.

Мощность устройства

Выбор генератора по мощности осуществляется при условии, если известна общая мощность всех приборов, которые будут к нему подключаться. Если не планируется подключение электрокотла или мощного сварочного аппарата, тогда в большинстве случаев генератора мощностью до 3 кВт вполне хватит. Однако при использовании электрического отопления может понадобиться мощный трехфазный генератор до 10 кВт.

Напряжение

Генератор может иметь розетки, от которых можно запитать приборы следующего напряжения:

• 220 В. Все стандартные бытовые электроприборы, которые есть в доме.
• 380 В. Генератор с таким напряжением может понадобиться только для трехфазного отопления, сварочника, работающего от 380 В или зарядки современного электромобиля.
• 12 В. Постоянный ток на выходе 12 В необходим автомобильным аккумуляторам, так что если планируете заряжать аккумулятор где-то в дороге, тогда берите модель с таким DC выходом.

Дополнительные функции

Некоторые модели генераторов могут быть оснащены дополнительными функциями, которые полезны в тех или иных случаях:

• Автозапуск (ATS). Функция способна запускать генератор автоматически без действий со стороны человека. Она весьма удобна, если генератор устанавливается в качестве аварийного питания. При отключении подачи электричества в городской сети, генератор автоматически включится, приняв нагрузку от приборов на себя.

• Электростартер. Электростартер позволяет запустить устройство простым нажатием на кнопку. При этом не нужно дергать за «шморгалку», хотя конечно она в каждом генераторе неизменно присутствует.
• Счетчик моточасов. Счетчик показывает общий ресурс часов, отработанных устройством. Благодаря этому вы всегда будете знать, сколько двигатель в работе и пора ли проводить обслуживание. Также эта функция полезна, когда покупаете генератор «с рук» — точно знаете, сколько агрегат отработал.
• USB-порт. При наличии такого разъема вы всегда сможете подзарядить свой смартфон или планшет. Однако во времена «пауэрбанков» данная функция не всегда актуальна и востребована.

Рейтинг бензиновых генераторов для дома 2019

PATRIOT GP 2000i

Бензиновый инверторный генератор от PATRIOT предназначен для обеспечения электричеством приборов суммарной мощностью до 1,5 кВт (максимальная мощность устройства 1,8 кВт). На корпусе располагается одна розетка на 220 В и выход постоянного тока на 12 В. Благодаря этому всегда можно подзарядить автомобильный аккумулятор. Топливный индикатор оповестит пользователя о необходимости долить бензин. Кстати, полного бака на 3,6 л хватает приблизительно на 4 часа работы.

Отметим относительно небольшой вес модели — всего 18,5 кг, благодаря чему его можно легко транспортировать в одиночку. В сравнении с другими бензиновыми и дизельными моделями, устройство довольно тихое — 58 дБ. GP 2000i — это отличный вариант для природы, когда нужно подключить освещение, переносной холодильник или зарядить электронные устройства.

Hyundai HHY 3020F

Это полноценная модель для резервного питания в доме. На полном баке в 15 л устройство способно проработать до 15 часов (при нагрузке в 50 %). При этом вы всегда сможете контролировать уровень топлива благодаря специальному индикатору. Здесь две розетки 220 В для подключения одновременно нескольких приборов. Дополнительно здесь есть аккумуляторная 12-вольтовая зарядка. Генератор оснащен защитой от перегрузок (больших пусковых токов), которая отключит устройство во избежание поломки.

Устройство оборудовано вольтметром, показывающем напряжение на каждой из розеток. Также здесь есть счетчик моточасов, определяющий сколько генератор отработал. Если будете брать такое устройство б/у, то в зависимости от отработанных часов сможете поторговаться.

Huter DY6500L

Генератор от компании Huter может использоваться в качестве резервного или аварийного источника электроэнергии в доме или на даче. Бензиновая модель может также работать и на газе, однако для этого потребуется приобрести дополнительное оборудование для этих целей. Расход бензина составляет 2,3л/ч, что при полном баке в 22 л позволяет устройству работать до 9 часов. Учитывая выдаваемую мощность в 5 кВт, это относительно небольшой расход топлива. Мощности устройства хватит для запитки сварочного инвертора или конвектора.

Пользователи отмечают, что устройство с легкостью запускается даже в 20-градусный мороз. В устройстве есть зарядка автомобильного аккумулятора. Встроенный вольтметр позволит контролировать выдаваемое устройством напряжение. Единственным минусом является отсутствие колесиков в комплекте, так как при весе в 70 кг придется звать друга, чтобы транспортировать агрегат.

Рейтинг дизельных генераторов для дома 2019

FUBAG DS 5500 A ES

Мощный дизельный генератор будет удобен не только для аварийного источника питания, но и для регулярного использования на строительном объекте. Он имеет сразу три розетки на 220 В: две рассчитаны на 16 А, а третья усиленная на 32 А. Силовая розетка позволяет снять полную мощность станции одним потребителем. Помимо этого, есть возможность зарядки автомобильного аккумулятора. Отметим, что в модели есть разъем для блока автоматики ATS. Благодаря ему генератор можно устанавливать, как аварийный источник питания.

Двигатель отлично справляется с резким увеличением нагрузки, поэтому станет незаменимым на стройплощадке. Модель имеет функцию автоматического предпускового прогрева, что позволяет с легкостью ее запускать при минусовых температурах. На электронном дисплее отображается напряжение, количество отработанных моточасов, а также индикация уровня масла. Последним показателем важно не пренебрегать и регулярно следить, чтобы ГСМ всегда хватало. Запустить генератор можно с помощью электростартера или обычной «шморгалки».

Hyundai DHY-6000 LE-3

Корейский генератор способен работать не только с однофазными, но и с трехфазными потребителями с помощью розетки на 380 В. Это позволяет подключать систему отопления или трехфазный насос для скважины. Если вам необходимо подстраховаться зимой, чтобы трехфазный котел всегда работал, тогда Hyundai DHY-6000 LE-3 то, что вам нужно. На полном баке в 14 л он способен проработать до 13 часов (на 50 % мощности). Производитель указывает, что двигатель способен проработать до первого ремонта около 1500 часов, однако на практике фирменный движок служит дольше. Кстати контролировать ресурс позволит счетчик моточасов.

На панели управления расположен выход на 12 В для автомобильного аккумулятора. Также отметим, что производитель установил УЗО для защиты от утечек тока у потребителей. Приятно, что модель оснащена колесиками для транспортировки, так как вес у нее довольно немаленький — 116 кг.

Daewoo DDAE 6000XE Master

Главным преимуществом модели является долговечный двигатель Daewoo 420 diesel — он способен проработать больше 1500 часов до первого обслуживания. Также в устройстве предусмотрен разъем для блока подключения автоматики ATS, что делает генератор незаменимым, когда пропадает электричество в сети. Здесь две розетки на 220 В и выход для подзарядки аккумулятора. Если же у вас есть трехфазные потребители, тогда можете присмотреться к «старшему брату» DDAE 6000XE-3 — в нем все те же функции и параметры, но вместо одной розетки на 220 В стоит розетка на 380 В.

Как и в предыдущих моделях, здесь стоит счетчик моточасов, вольтметр и автоматическая защита от перегрузок. Мощности в 5,5 кВт вполне хватает для обеспечения электричеством загородного дома. На половине мощности устройство проработает до 13 часов на полном баке. Большинство владельцев генератора отмечают хорошее качество сборки и стабильность работы. Здесь стоят 4 колесика для транспортировки, но они диаметром 8 см, из-за чего не всегда удобно катить его зимой, например, по мокрому снегу.

Электронные генераторы

Электронный генератор — электронное устройство, вырабатывающее электрические колебания определенной частоты и формы, используя энергию источника постоянного напряжения (тока).

Различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением. Любой автогенератор содержит колебательную систему и усилительный элемент (на биполярном или полевом транзисторе), связанные положительной обратной связью.

Основными характеристиками генератора являются форма, частота и мощность колебаний. По форме различают электронные генераторы гармонических (почти синусоидальных) колебаний и так называемые релаксационные генераторы различной формы. По частоте автогенераторы подразделяются на генераторы инфранизкой (от долей герц до 10 Гц), низкой (от 10 Гц до 100 кГц), высокой (от 100 кГц до 10 МГц) и сверхвысокой (свыше 10 МГц) частот.

Структурная схема генератора гармонических колебаний представлена на рис. 4.12.

Генератор состоит из усилителя У (нелинейного элемента НЭ) с комплексным коэффициентом усиления по напряжению

и четырехполюсника положительной обратной связи ОС (линейного элемента ЛЭ в видеLC— или RC-звеньев) с комплексным коэффициентом передачи .

Так как то напряжение

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии, что произведение К_и β=1, т. е. при коэффициенте усиления усилителя У, равном единице. При К_иβ >1 амплитуда выходного напряжения U_m.вых будет непрерывно возрастать (до насыщения активных элементов).

Представляя комплексные коэффициенты К_и и β в показательной форме, т. е. и их произведение получим условие самовозбуждения автоколебаний:

Первое условие отражает процесс баланса фаз, при котором сдвиг фаз в замкнутой цепи автоколебательной системы должен равняться 2πn радиан, а второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, что на резонансной частоте ω₀ активные потери энергии в автогенераторе должны восполняться от источника питания ИП посредством положительной обратной связи. Отметим, что баланс амплитуд обуславливает неизменную амплитуду стационарных колебаний.

При стабильной частоте колебаний условия баланса фаз и баланса амплитуд должны выполняться на одной частоте. Для этого автогенератор должен иметь частотно-зависимую (фазосдвигающую) LC— или RC-цепь, настроенную на эту частоту.

4.7.1. Автогенератор типа LС

Простейший автогенератор с индуктивной связью (рис. 4.13, а) представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе VТ, включенном по схеме с общим эмиттером, с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура L_КС_К и цепи обратной связи, созданной обмоткой L_Б, индуктивно связанной с индуктивным элементом L_К контура. Усилитель выполнен по схеме с фиксированным напряжением смещения делителем R_Б1 и R_Б2 и термостабилизируюшей R_ЭC_Э-цепью.

На вход усилителя через конденсатор C_Б, ёмкостное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, поступает сигнал обратной связи, представленный ЭДС базовой обмотки L_Б.

Коллекторный ток, появившийся в момент включения источника питания — U_п, заряжает конденсатор С_К, который затем разряжаясь на индуктивный элемент L_К создает в контуре колебания с резонансной частотой

Эти колебания напряжения посредством индуктивной связи передаются на базу транзистора VT, вызывая колебания напряжения U_вх на входе усилителя и пульсации тока коллектора, которые, подпитывая L_КС_К -контур, восполняют активные потери энергии в нем. Чтобы колебания были незатухающими, нужно выполнить указанные выше два условия самовозбуждения.

Анализ электрического состояния усилителя показывает, что баланс фаз удовлетворяется, если амплитуда напряжения на контуре U_m.p равна и противоположна по фазе амплитуде выходного напряжения U_m.вых. Это возможно, если обмотка L_К включена таким образом, что фаза индуктируемой в ней ЭДС находится в противофазе с напряжением контура u_р, а напряжение u_вых в однокаскадном усилителе, как известно, противофазно напряжению u_вх. Очевидно, что фазы u_вх и u_вых сдвинуты на 180° + 180° = 360°.

Второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, чтобы коэффициент усиления был больше или равен 1/β , т. е. К_и > 1/β.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима удобно пояснить с помощью графика (рис. 4.13, б), где нанесены:

К_и = u_вых/ u_вх — амплитудная характеристика собственно усилителя и 1/β= u_вых/ u_вх._ос — прямая, характеризующая обратную связь.

Условию К_и > 1/β на графике соответствует расположение кривой К_и над прямой 1/β на участке 0а.

Пусть наличие колебания u_вх1 вызвало на выходе (в соответствии с кривой К_и) колебание u_вых1, которое через ПОС создает на входе возросшее колебание u_вых2— что вызовет дальнейшее увеличение выходного напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка а (см. рис. 4.13,б), в которой К_и > 1/β или К_и β=1. В точке а переходный процесс заканчивается и устанавливается стационарный режим гармонических колебаний.

4.7.2. Автогенераторы типа RС

На частотах, меньших 15. 20 кГц, при которых обмотки резонансных контуров получаются громоздкими, целесообразно применение RC-генераторов, выполняемых по структурной схеме (рис. 4.14, а).

Усилитель У (рис. 4.14. в) строится по обычной резистивной схеме, а положительная обратная связь осуществляется с помощью фазовозвращателя Фвр (RC-звеньев,рис. 4.14,б). Условия самовозбуждения таких генераторов прежние. Так как одно RC-звено сдвигает фазу своего выходного напряжения по отношению к её входному на угол, меньший 90°, то применяют трехзвенную структуру. Каждое Г-образное звено должно сдвигать фазу напряжения на 60°.

Частота генерируемых такими схемами синусоидальных колебаний при условии равенства сопротивлений резисторов R и ёмкостей С конденсаторов во всех трех звеньях определяется формулой

Как показывают расчеты, из-за падений напряжения на элементах, отношение u_вх/u_вых на фазовозвращателе (см. рис. 4.14,б) равно β= 29, поэтому для обеспечения условия баланса амплитуд коэффициент усиления собственно усилителя должен удовлетворять условию К_и ≥29.

Генератор для дома — выбираем правильно! Виды и принцип работы, рейтинг самых популярных генераторов для частного дома

Казалось бы, в современном мире нет места перебоям в подаче электроэнергии. К сожалению, иногда они случаются, и могут принести много неудобств. Чтобы обезопасить дом от отключения, достаточно иметь электрогенератор. Особенно актуально использование данного устройства во время ЧС.

Генераторная установка должна быть адаптирована к предполагаемому использованию. Если ее предполагается эксплуатировать в небольшом загородном доме или гараже, нет необходимости покупать дорогостоящее устройство с большим количеством функций. Следует выбрать генератор для дома подходящего вида.

Содержимое обзора

Когда пригодится домашний генератор

Электрогенераторы чаще всего используются в аварийных ситуациях. Когда подача электричества на участок прерывается, достаточно вытащить данный агрегат из гаража и запустить его, чтобы на время возобновить электроснабжение.

Многие люди считают такое устройство ненужной роскошью. Однако в населенных пунктах, где часто прерывают подачу электричества или во время чрезвычайной ситуации генератор может выручить.

Где нельзя использовать

Важно помнить, что нельзя использовать устройство в закрытых помещениях, поскольку оно выделяет выхлопные газы, требует воздушного охлаждения, а также очень шумное.

Принцип работы

Электрогенератор – это устройство для выработки электроэнергии. С его помощью можно запитать электрические устройства.

• Электрогенератор может запитать устройства в частном доме во время отключения электроэнергии.
• Однако его можно успешно использовать и там, где он будет независимым источником электроэнергии.
• Такими местами будут, например, гараж, мастерская, сад или строительная площадка.

Тип топлива

Доступные на рынке генераторные установки чаще всего оснащены двигателем внутреннего сгорания. Некоторые модели также могут работать на сжиженном или природном газе.

Бензиновый двигатель, как и в автомобиле, может иметь немного лучшую работу, но при интенсивном использовании агрегата теоретически он менее долговечен.

При выборе генератора также следует обращать внимание на емкость топливного бака. Она связана с рабочим временем. Также стоит проверить, есть ли в генераторе датчик уровня топлива и каталитический нейтрализатор для снижения выбросов выхлопных газов.

Генераторы с ДВС

Чаще всего используются генераторы, приводимые в действие бензиновыми или дизельными двигателями внутреннего сгорания.

Мощность агрегата зависит от объема двигателя. Лучше выбрать для них место, где не будет надоедать шум двигателя. Желательно, чтобы оно имело крышу.

Одно- и трехфазные агрегаты

Однофазные генераторы требуют напряжения 1

230В. Это маломощные устройства. В первую очередь они подходят для бытовой техники. В свою очередь, трехфазные генераторы 3

400В подойдут для оборудования большой мощности. В основном это электрическое отопление, гидрофорные установки, водонагреватели и так далее.

• Перед выбором генератора также хорошо проверить, от какого типа электроэнергии происходит питание.
• Имеется и более универсальное устройство – трехфазный генератор, который позволяет подключать также однофазные устройства (у него 2 комплекта розеток).
• Однако использовать такой агрегат следует по определенным правилам. Мощность тока, потребляемого от однофазных розеток, не может превышать 60% мощности всего генератора.
• Также следует следить за тем, чтобы при одновременном питании однофазных и трехфазных нагрузок фазы нагружались более или менее равномерно.

Чем мощнее генератор, тем больше приборов можно запитать от него одновременно, но также тем больше денег и места придется потратить на него. Некоторые модели бывают очень большими. Это особенно заметно на фото генератора для дома.

Типы генераторов

Электрогенератор для дома производит энергию в однофазной системе, но также можно найти и трехфазные генераторы.

Другой критерий – тип используемого топлива и мощность, вырабатываемая устройством. Самыми дешевыми являются агрегаты с двухтактным двигателем, работающим на смеси бензина и масла в определенных пропорциях. К сожалению, они не очень экономичные и довольно громкие.

Наиболее оптимальный выбор – генератор с четырехтактным двигателем внутреннего сгорания.

Наименее распространенными устройствами на рынке являются генераторы, работающие на природном газе.

• Их главное преимущество в том, что они могут питаться от газовых баллонов, поэтому их часто используют как аварийный источник питания на участках.
• К сожалению, сам газ малоэффективен и сильно горит во время работы устройства.
• Однако, если требуется очень эффективный генератор, который будет часто использоваться, можно присмотреться к дизельному генератору.

Количество подключаемых устройств

Для того чтобы генератор энергии выполнил свою задачу, его мощность должна быть больше, чем суммарная мощность устройств, которые будут к нему подключены.

Номинальная (не максимальная) мощность важна, особенно когда необходимо запитать устройства с асинхронными двигателями, которые требуют большого тока, например, насосы или гидрофоры.

• При определении мощности электрогенератора для дома следует сложить мощность всех приборов, которые планируется запитать.
• Она ​​должна составлять 70-80% мощности генератора. Однако этот показатель может разниться в зависимости от самого генератора и подключаемых устройств.
• Перед покупкой стоит изучить эту тему более подробно.
• Обычно к потребляемой мощности каждого устройства прибавляется 1,2 кВт. Запас мощности должен составлять 20-30%.
• В противном случае энергопотребление может оказаться слишком высоким, поэтому придется отключить несколько устройств.

Лучше не подключать к трехфазному генератору одновременно однофазные и трехфазные устройства.

Также при необходимости можно купить генератор для дома с автозапуском.

Чем тише, тем лучше

Какой генератор лучше для дома? На этот вопрос нет однозначного ответа. Но еще одним важным параметром при выборе устройства является уровень создаваемого им шума, который указан в спецификации.

Если генератор будет размещен вне здания, то с громкостью еще можно смириться.

• Иная ситуация, например, в гараже. К сожалению, большинство доступных на рынке генераторов издают много шума, достигая уровня 90-98 дБ во время работы.
• Для сравнения, проезжающий мотоцикл дает 95 дБ.
• Однако встречаются модели встраиваемых агрегатов (к сожалению, соответственно более дорогие), в которых уровень шума снижен до 65–75 дБ (пылесос – 70 дБ).

Виды электрических генераторов и принципы их работы

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии — в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: явление электромагнитной индукции, когда при пересечении линиями магнитного поля проводника — в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» — униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить стандартное сетевое напряжение.

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p — число пар магнитных плюсов ротора, n – количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Упрощенная схема трехфазного генератора переменного тока:

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах дизельные, газовые и бензиновые генераторы, которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Лучшие инверторные генераторы домашних электростанций имеют встроенный аккумулятор для компенсации перепадов и систему двойного преобразования, у таких устройств переменное напряжение получается более стабилизированным.

Автомобильные генераторы

Еще один пример генератора переменного тока — самый распространенный в мире вид генератора — автомобильный генератор. Данный генератор традиционно содержит обмотку возбуждения с контактными кольцами на роторе и трехфазную обмотку статора с выпрямителем.

Встроенный электронный регулятор удерживает напряжение в допустимых для автомобильного аккумулятора пределах. Автомобильный генератор — высокооборотный генератор, его обороты могут достигать 9000 в минуту.

Хотя изначально ток получается переменным (полюсные наконечники ротора поочередно и в разной полярности пересекают своими магнитными потоками три фазы обмотки статора), затем он выпрямляется диодами и превращается в постоянный, пригодный для зарядки аккумулятора.

Необычные конструкции электрических генераторов: