Меню

Коэффициент пульсаций драйвера тока



Коэффициент пульсаций драйвера тока

При рассмотрении ряда вопросов, таких, например, как электропитание устройств, измерение различных физических величин и некоторых других, мы часто сталкиваемся с явлением пульсации — нежелательным периодическим отклонением величины (допустим, выходного напряжения блока питания) относительно среднего значения.

Мерой пульсации является уровень пульсации, который может быть выражен в абсолютных величинах (амплитуда пульсации, размах, действующее значение и т.д.). Но иногда бывает удобно рассматривать уровень пульсации не в абсолютном выражении, а в относительных единицах. Отношение величины, характеризующей уровень пульсаций к постоянной составляющей сигнала, называют коэффициентом пульсации.

Коэффициент пульсации можно использовать, например, как объективную характеристику качества выходного напряжения источника питания, которая позволяет сравнивать между собой разные устройства, без привязки к абсолютным значениям выходных напряжений. Коэффициент пульсации позволяет судить о применимости данного источника для питания той или иной нагрузки, ведь для обеспечения работоспособности потребителя, пульсация не должна превышать заданных для него допустимых пределов.

Другой простой пример, когда бывает полезным рассмотрение коэффициента пульсации — анализ выпрямителей. Так, для идеализированного выпрямителя без сглаживающего фильтра, коэффициент пульсации является параметром схемы, не зависящим ни от входного напряжения, ни от нагрузки и дающего возможность легко сопоставлять между собой разные типы выпрямителей.

Определение коэффициента пульсации

Некоторые сложности с использованием данного параметра возникают в связи с тем, что можно вводить в рассмотрение множество разных коэффициентов пульсации, в зависимости от того, какую величину выберем в качестве абсолютной меры уровня пульсаций. Поэтому важно уточнять, о каком именно коэффициенте идёт речь. Чем некоторые авторы порой пренебрегают и тогда остаётся только догадываться, что имелось в виду.

Можно выделить три основных подхода к определению коэффициента пульсации, которые чаще всего используются в литературе и отражены в нормативной документации (стандартах).

1. Коэффициент пульсации — отношение половины размаха пульсации к среднему значению величины (или, что то же самое, к постоянной составляющей величины). Под размахом пульсации понимается разность между максимальным и минимальным значением величины: $$ k=\frac -U_> <2 U_0>. $$

Пульсация напряжения источника питания.

Рис. %img:rpl_def

Для практического измерения коэффициента пульсации удобно воспользоваться осциллографом и определить величины Umin, Umax. Если для оценки постоянной составляющей воспользоваться приближением \(U_0 \approx (U_+U_)/2,\) то получаем следующую формулу, удобную для практического определения коэффициента пульсации: $$ k \approx \frac -U_> +U_>. $$

Существует аналогичное определение, но в нём используется не половина размаха, а полный размах пульсаций.

2. Коэффициент пульсации — отношение размаха пульсации к среднему значению величины (к постоянной составляющей величины): $$ k=\frac -U_> , $$ или, в более удобной форме для вычисления по результатам измерений запишем как $$ k \approx 2 \; \frac -U_> +U_>. $$

Но можно использовать не только амплитудные значения величины пульсаций, а, например, действующее (среднеквадратичное) значение напряжения пульсации. Тогда получим следующее определение.

3. Коэффициент пульсации — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины: $$ k=\frac > . $$

Каждое из рассмотренных определений имеет свою область применения. Выбор определяется тем, какой из коэффициентов наилучшим образом отображает реальные характеристики пульсации в данном случае.

Коэффициенты, вычисляемые по амплитуде и размаху пульсации (первое и второе определения) в целом равноценны, лишь отличаются друг от друга в 2 раза. Они характеризуют наибольшее отклонение величины от среднего значения. Хорошо подходят, например, для оценки качества выходного напряжения источников питания. Как правило, питаемое устройство предъявляет вполне определённые требования к пиковым отклонениям питающего напряжения, что позволяет на основании амплитудного коэффициента пульсации сделать вывод о применимости источника по пульсациям.

В некоторых же случаях больший интерес представляет не амплитуда, а действующее значение пульсации, которое определяет мощность пульсации на резистивной нагрузке. И тогда отдают предпочтение третьему определению.

Действующее значение величины, а значит и вычисленный по ней коэффициент пульсации оказывается малочувствителен к единичным кратковременным выбросам величины («иголкам» сигнала), которым соответствует малая переносимая в нагрузку энергия и которые вносят малый вклад в среднюю мощность, рассеиваемую на нагрузке.

Иногда эта особенность коэффициента пульсации по действующему значению оказывается полезной.

Определения понятия в соответствии с нормативной документацией

Поскольку коэффициент пульсаций — очень важный технический параметр, его не обошли вниманием в стандартах.

Посмотрим, например, что по данному вопросу можно найти в стандартах достаточно авторитетной организации IEC (Международной электротехнической комиссии). Осуществляя деятельность по разработке стандартов, IEC также проделала огромную работу с целью унификации терминологии в области электротехники, результатом чего стало создание Международного электротехнического словаря (Electropedia), доступного on-line.

Воспользовавшись поиском по словарю, обнаруживаем, что термины «пульсация», «коэффициент пульсации» используются в разных предметных областях: математика; электромагнитная совместимость; силовая электроника и др. Это ещё одна из причин многозначности термина.

Если, например, обратиться к разделу электромагнитной совместимости, то обнаружим, что там рассматривается два вида коэффициента пульсации:

  • peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению, пиковый коэффициент пульсации) — отношение пикового значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод цитируется из документа IEC-60050-161; под пиковым значением понимается просто размах пульсации) * ;
  • r.m.s.-ripple factor (коэффициент пульсации по среднеквадратичному значению, среднеквадратичный коэффициент пульсаций) — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод цитируется из документа IEC-60050-161; среднеквадратичное значение — это то, что раньше было принято называть действующим значением).

* Вариант на английском: peak-ripple factor — the ratio of the peak-to-valley value of the ripple content to the absolute value of the direct component of a pulsating quantity.
Значение термина «peak-to-valley value» также может быть найдено в Electropedia:
peak-to-valley value, peak-to-peak value — difference between the global maximum value and the global minimum value in the same specified interval of the argument.
Note 1 to entry: For a periodic quantity, the specified interval has a range equal to the period.
Note 2 to entry: The synonym «peak-to-peak value» should be used only when the global maximum and minimum values are of different signs.

В разделе «Силовая электроника» обнаруживаем термин «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока), который определяется как отношение половины разницы между максимальным и минимальным значениями пульсирующего тока к среднему значению этого тока (ratio of half the difference between the maximum and minimum value of a pulsating direct current to the mean value of this current), смотрит IEC-60050-551. Это определение похоже на рассмотренное ранее определение для peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению), но здесь для расчёта берётся не полный размах пульсации, а половина.

Наверно есть основания для введения двух однотипных определений, но избавиться от путаницы это совсем не помогает.

Найти упоминание о коэффициенте пульсации можно и в ГОСТ. Так, во многих статьях, касающихся темы пульсации, даётся ссылка на «ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения», в котором приводится сразу несколько вариантов определения:

  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
    Примечание. Для целей стандартизации допускается относить к номинальному напряжению (току).
    Не вполне очевидно, что понимается под «наибольшим значением переменной составляющей». Возможно, это амплитуда.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.

Первые два имеют свои аналоги в IEC, а последнее — уже что-то новенькое. И опять же, не обошлось без доли таинственности. Так как среднее значение переменной составляющей равно 0, можно предположить, что в определении имелось в виду нечто иное. Скорее всего, это «среднее по модулю значение переменного напряжения (тока)», которое в этом же ГОСТе определяется как «среднее за период значение модулей мгновенных значений переменного напряжения (тока)». Вероятно, в каких-то случаях использовать этот коэффициент имеет смысл.

Читайте также:  Что такое ток утечки 100ма

Рассмотрев так подробно вопрос о коэффициенте пульсации с точки зрения ГОСТ 23875-88, осталось только отметить, что этот ГОСТ с 2012 года утратил силу. Так что теперь ссылка на него выглядит как не слишком убедительное обоснование для использования того или иного определения * .

* Тем не менее, например, в действующем ГОСТ 23414-84 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения (с Изменением N 1)» имеется ссылка на утративший силу ГОСТ 23875-88. Оказывается так можно.

Однако, тут нам на помощь приходят другие ГОСТы. Так, в «ГОСТ 26567-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний» (на момент написания этой статьи имеет статус действующего), даётся наглядное объяснение «в картинках», рис. %img:h. На рисунке: 1 — огибающая мгновенных значений пульсирующего напряжения; t — время, в течение которого проводят наблюдения. Как видим, за величину пульсаций принимается половина размаха пульсаций. Также даётся расчётная формула (для вычисления коэффициента в процентах): $$ k_<пул>=\frac>>\cdot 100, $$ т.е. отношение половины размаха пульсации к номинальному значению величины.

Определение размаха пульсаций в соответствии с ГОСТ.

Рис. %img:h

Данное определение в некоторой степени аналогично рассмотренному выше определению «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока) из IEC-60050-551.

Подобные определения можно найти и в других ГОСТах, например, в «ГОСТ Р 52907-2008 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»:
коэффициент пульсации постоянного выходного напряжения [тока] источника электропитания РЭА — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего постоянного выходного напряжения [тока] к его среднему значению в установившемся режиме работы источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Правда, данный стандарт является национальным (на что намекает символ Р в обозначении), но тем не менее.

Альтернативные определения

Справедливости ради нужно отметить, что рассмотренные выше определения коэффициента пульсации не являются единственно возможными и в литературе можно встретить другие варианты.

В принципе, под коэффициентом пульсации можно понимать отношение любой меры уровня пульсаций к среднему значению величины. Поэтому, в случае необходимости, можно вводить в рассмотрение самые экзотические варианты определения. Например, за уровень пульсаций можем принять сумму гармоник переменной составляющей с удобными нам весовыми коэффициентами.

В простейшем случае берём первую гармонику с коэффициентом 1 и получаем ещё один вариант определения, который достаточно часто можно встретить в отечественной литературе: коэффициент пульсации — отношение амплитуды первой гармоники (или низшей, или основной — в разных формулировках) к среднему значению напряжения (т.е., к постоянной составляющей).

Это определение не является слишком удачным. Во-первых, из рассмотрения исключаются все гармонические составляющие, кроме основной, в то время как вклад «неосновных» может быть весьма значительным; в результате полученный коэффициент очень косвенно отражает реальное положение дел. Во-вторых, практическое измерение коэффициента не является простым — требуется выделение (фильтрация) одной гармоники для измерения её амплитуды.

Но если, например, имеем дело с питанием устройства, для которого нормируются вполне определённые компоненты в спектре пульсации, то описанный вариант определения вполне годится.

Источники информации *

* Если ссылка не работает, воспользуйтесь веб-архивом или поиском.

Источник

К вопросу о пульсациях выходного напряжения (тока) драйверов для светодиодного освещения

Производители светотехнических установок и другие потребители источников питания для светодиодного освещения (драйверов), среди ряда параметров, характеризующих энергетическую эффективность, точность и качество потребляемой электроэнергии, обращают повышенное внимание на такой параметр, как пульсации выходного напряжения (тока). Этот параметр весьма важен, поскольку напрямую определяет пульсации светового потока светотехнической установки (СУ).

Световой поток, являясь конечным продуктом светотехнической установки,определяет освещённость рабочего места, которая считается одним из наиболее важных гигиенических и санитарных показателей, поскольку влияет на организм человека и на безопасность труда. Значительные низкочастотные пульсации освещённости приводят к повышенной утомляемости, снижению производительности труда и возникновению травмоопасных ситуаций [1, 2]. Именно поэтому они ограничиваются в таких нормативных документах как СНиП и СанПиН.

Несмотря на то, что эти документы существуют достаточно давно, у потребителя, зачастую, нет чёткого понимания границ применения количественных значений оговоренных в этих документах. Нигде не обоснованы причины появления существующих норм. Нет ясности в вопросе влияния и вреда пульсаций освещенности для организма человека. Кроме того, существуют несогласованности и неясности в самих документах.

Это привело к возникновению максимы: «пульсации должны быть меньше 5%». Такое требование справедливо далеко не всегда, и во многих случаях можно использовать источник, обеспечивающий освещённость с пульсациями 10 или 15%. Снижение требований к источнику питания по пульсациям выходного напряжения (тока) позволяет производителям использовать более дешёвые компоненты или снизить их число.

Это положительным образом сказывается на стоимости источника питания, следовательно, выгодно и самому потребителю.

Слепое следование 5-ти процентному барьеру по пульсациям освещённости препятствует более широкому внедрению светодиодного освещения. Отсутствие ясности в этом вопросе приводит к необоснованно завышенным требованиям, вплоть до 1%, Иногда этот параметр превращается в инструмент недобросовестного рекламирования своих источников в конкурсных торгах.

Сложившуюся ситуацию нельзя назвать нормальной и она требует разрешения. В данной статье предпринята попытка внести ясность в данный вопрос, и разграничить требования к пульсациям освещённости для различных областей применения.

Вначале попробуем ответить на вопрос почему, собственно, пульсации освещённости нужно ограничивать.

С точки зрения техники безопасности пульсирующий источник света представляет угрозу, поскольку создаёт условия для возникновения стробоскопического эффекта. Чем он опасен? Например, повреждёнными конечностями, если частота вращения диска циркулярной пилы совпадёт с частотой пульсаций освещения, и невнимательному работнику покажется, что диск не вращается.

Актуализированная версия СНиП 23-05-95 даёт определение этому эффекту только в контексте источника света, питаемого переменным током. Связано это, очевидно, с тем, что предыдущие версии СНиП были ориентированы в первую очередь на газоразрядные источники света, в частности, на люминесцентные лампы.

Формально, в таком изложении понятие о стробоскопическом эффекте к светодиодным источникам света неприменимо, поскольку они в абсолютном большинстве питаются постоянным током. Тем не менее, поскольку постоянный ток через светодиоды всё же пульсирует, опасность травматизма возникнуть может.

Поэтому для производств, использующих фрезерные и токарные станки, циркулярные пилы и прочее оборудование с вращающимися деталями, стробоскопического эффекта следует избегать и обращать особое внимание на коэффициент пульсаций освещённости. Да и вообще везде, где есть «движущиеся, вращающиеся или сменяющиеся объекты» необходимо обращать на это внимание.

Как правило, стробоскопический эффект может возникнуть при глубине пульсаций освещённости больше 20%, но есть случаи, когда он может возникнуть уже при пульсациях более 5% [3].

Помимо прямой опасности получить травму от кажущегося неподвижным станка и прочих движущихся, вращающихся и перемещающихся объектов, есть неочевидное влияние пульсирующего излучения на головной мозг. Упомянутые во множестве статей исследования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР, послужившие основанием для выбора существующих на сегодняшний день норм по коэффициенту пульсацийосвещённости, связывают пульсирующее освещение с изменением частотного спектра электрической активности головного мозга, утомляемостью и головными болями.

Основным исследованием по данной теме можно назвать материал, который представили В.А. Ильянок и В.Г. Самсонова [4] В своей статье они утверждают, что ритмическая деятельность разных групп нейронов мозга отражена в частотном спектре его суммарной электрической активности – электроэнцефалограмме (ЭЭГ). По характеру спектра ЭЭГ можно судить о функциональном состоянии мозга.

При действии ритмических световых раздражений наблюдается изменение частотного спектра ЭЭГ, заключающееся в резком усилении амплитуды навязываемой и воспроизводимой мозгом частоты (частота пульсаций светового потока /освещённости) и в снижении амплитуд всех других частот, особенно частот альфа-ритма (9-12 Гц), которые в обычной ЭЭГ наиболее выражены (рис. 1).

Читайте также:  Величина тока в молнии

ris-19.jpg

В работе были исследованы спектры ЭЭГ и их изменения в широком диапазоне частот при действии различных по частоте, интенсивности и длительности ритмических световых вспышек, при одновременном действии двух и более различных по частоте световых ритмов, а так же при различной глубине пульсаций светового потока. В опытах участвовало 120 взрослых людей в возрасте от 18 до 30 лет.

Выяснилось, что изменение спектра ЭЭГ длится на протяжении всего времени действия светового раздражителя. При наблюдении двух различных по частоте световых раздражителей, обе частоты были усвоены мозгом. В 70% случаев было выявлено усвоение мозгом трёх частот. В 30% — четырёх частот.

Так же было обнаружено, что воспроизведение мозгом частоты световых мельканий начиналось при 2-3%-ной глубине пульсаций и достигало максимума уже при 20%.

В результате, рекомендуется использовать для освещения СУ, обеспечивающие глубину пульсаций светового потока не выше 5-8% на частоте 100 Гц. Так же утверждается, что при частоте пульсаций 300 Гц и выше никакого действия на электрическую активность мозга не наблюдается и глубина пульсаций роли не играет.

Какие можно сделать выводы из этого исследования?

1) На частоте 100 Гц пульсации светового потока следует ограничивать на уровне 5-8%

2) Наблюдение одного источника пульсирующего излучения вредно для человека, а наблюдение нескольких таких источников (например, ЖК монитор и люминесцентная лампа) ещё вреднее.

3) При освещении пульсирующим светом вращающихся предметов отражение света от них может привести к одновременному воздействию нескольких различных по частоте некратных друг другу ритмов световых мельканий. В таком случае к стробоскопическому эффекту приплюсовывается ещё и воздействие на мозг.

4) При частоте мельканий выше 300 Гц глубина пульсаций не имеет значения.

Теперь взглянем на нормативные документы, регламентирующие уровень пульсаций освещённости:

1) «Естественное и искусственное освещение» свод правил СП 52.13330.2011, являющийся актуализированной редакцией СНиП 23-05-95*;

2) «Гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту» санитарно-эпидемиологические правилаСП 2.2.2.1327-03;

3) «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 с изменением и дополнением №1 (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10);

4) «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» санитарно-эпидемиологические правила и нормативыСанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 с изменениями и дополнениями:

  • №1 — СанПиН 2.2.2/2.4.2198-07
  • №2 — СанПиН 2.2.2/2.4.2620-10
  • №3 — СанПиН 2.2.2/2.4.2732-10

Содержимое этих документов, касающееся минимального значения коэффициента пульсации освещённости представлено в табл. 1.

Таблица 1. Различия в требованиях по коэффициенту пульсации освещённости.

Источник

Коэффициент пульсации

Определение и формула коэффициента пульсации

О коэффициенте пульсации чаще всего говорят, когда рассматривают переменный электрический ток. Тогда рассматривают коэффициент пульсации напряжения или силы тока. Существует внутренне деление коэффициентов пульсации напряжения (тока) на: коэффициент пульсации напряжения (тока), коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению, по действующему значению.

В общем случае форма напряжения на выходе выпрямляющего устройства имеет постоянную (называемую полезной) и переменную (пульсирующую) составляющие.

Если представить выпрямленное напряжение в виде ряда Фурье, как сумму постоянной составляющей (U_0) и некоторого числа (n) гармоник, имеющих амплитуды U_<mn data-lazy-src=

\[k_n=\frac<U_<mn data-lazy-src=

\[<k

Коэффициент пульсации напряжения измеряют при помощи осциллографа или двух вольтметров.

Коэффициент пульсации — это одна из самых значимых характеристик выпрямителя — устройства, которое предназначено для превращения переменного напряжения источника электрической энергии в постоянное.

Единицы измерения

Коэффициент пульсации рассматривают как безразмерную величину или он может указываться в процентах.

Примеры решения задач

Задание Каковы коэффициенты пульсации по первой гармонике, абсолютные коэффициенты пульсации в двух вариантах расчета, если постоянное напряжение на выходе выпрямляющего устройства составляет U_0=20 В, а напряжение пульсаций U_<m1 data-lazy-src=