Фаза это в электротехнике: определение понятия, нулевой провод и заземление, переменный электрический ток

Что такое фаза в электрике и как ее проверить?

Содержание:

Фаза и нуль в электрике

Электроэнергия появляется в результате упорядоченного движения заряженных частиц в проводах — электронов. Рождаются эти электроны в огромных электростанциях — таких как, например, Волгоградская ГРЭС (гидроэлектростанция), Нововоронежская АЭС (атомная электростанция) и многих других в нашей стране. Далее по очень толстым проводам эта энергия передается на промежуточные подстанции (как правило, такие стоят по периферии городов), а от них — до местных КТП (комплектная трансформаторная подстанция), которые есть почти в каждом дворе.

Линия электропередач

Уровни напряжения в таких сетях варьируются от 750000 вольт до 380 вольт в конечной КТП. И именно последние делают так, что в розетке обычного дома появляется 220В. Казалось бы, все просто, но! В розетке находятся два провода. И из уроков физики каждый знает, что в электрике есть «фаза» и «нуль». Эти два слова дают нам свет, тепло, воду, газ и многое другое, чем мы пользуемся каждый день. Теперь по-порядку.

КТП

Фаза и нуль: понятия и отличие

Существует такое понятие, как напряжение. Это слово означает степень напряженности электрического поля в данной точке или цепи. Иначе его называют потенциалом. Если очень простыми словами, то это некий поршень, что дает толчок для электронов, чтобы они прошли по проводам и зажгли лампочку в люстре.

В общей цепи (фаза ноль), той, что приходит на люстру или розетку, есть два провода. Один из них и есть фаза. Именно этот провод находится под напряжением. Фаза в электротехнике сравнима с плюсом в автомобиле — это основное питание для сети.

Фаза, ноль, земля в розетке

Нуль — это провод, который не находится под напряжением (это именно то, чем отличается ноль от фазы). Он не перегружен в процессе отбора мощности, но, тем не менее, по нему так же течет электрический ток, только в направлении, обратном фазному. В отсутствии напряжения он является безопасным в плане поражения человека электротоком.

Переменное напряжение — три фазы и ноль

Начать стоит с основ — с переменного напряжения и тока, его природы и принципа передачи к конечным потребителям. Тема переменного тока заслуживает отдельного рассмотрения, но для понимания фазы, нуля и земли на бытовом уровне выделим основные моменты.

Мощные генераторы электростанции вырабатывают напряжение в десятки киловольт. Затем через повышающие и понижающие трансформаторы электроэнергия приходит в дома с привычными нам параметрами 220 Вольт 50 Герц. Последний промежуточный элемент между электростанцией и домом — понижающий распределительный трансформатор. Разбираться в особенностях его работы сейчас не будем. Но для понимания, заменим его, все промежуточные трансформации и генератор на электростанции обычным трехфазным генератором на 220 Вольт.

Трехфазный генератор упрощенно состоит из ротора (вращающегося магнита) и трех обмоток статора, смещенных друг относительно друга на 120° (три фазы — отсюда и пошло название фаза, обозначающее вывод начала обмотки). Начала и концы обмоток трехфазного генератора принято обозначать буквами A, B, C и X, Y, Z. Первыми буквами латинского алфавита обозначают начала обмоток, последними — концы. Концы обмоток соединяются звездой в один узел, называемый нейтральной или нулевой точкой. Тот же принцип и в понижающем распределительном трансформаторе — концы обмоток соединяются в нулевой точке, а начала обмоток — это три фазы с линейным напряжением 380 Вольт.

Ротор генератора, вращаясь, создает электродвижущую силу, которая при условии, что цепь замкнута, заставляет свободные электроны в проводах направленно перемещаться от зоны с большим потенциалом (избытком электронов) к зоне с меньшим потенциалом (недостатком электронов). Давайте условно остановим время и рассмотрим что происходит с напряжениями в каждой фазе. Нам известно, что напряжение в розетке между фазой и нулем 220 Вольт. Это действующее значение напряжения, и после перевода в амплитудное получим 312 Вольт. Примем, что это напряжение на выводе A генератора (или трансформатора). Для определения напряжения на двух оставшихся выводах также условно примем, что потребление по трем фазам симметричное. Тогда нулевой провод фактически не нужен, поэтому отсоединим его от генератора (трансформатора) — в жизни эта ситуация называется обрывом (отгоранием) общего нуля. Но ноль у нас никуда не делся. Важно понимать, что ноль — это не просто четвертый провод от трансформатора. Ноль это в первую очередь общая точка соединения трех фазных нагрузок. И ток в идеале не течет от фазы к нулю трансформатора и обратно. Ток течет между тремя фазами если нагрузки симметричные. И лишь когда нагрузки несимметричные (а в реальной жизни так всегда) только часть тока по четвертому проводу возвращается в трансформатор.

Допустив, что нагрузка у нас симметричная, а ноль — точка соединения начал обмоток трансформатора после нагрузок, теперь можно найти напряжения на оставшихся дух фазных выводах и понять суть переменного напряжения. Так как ток течет, точнее движение свободных электронов происходит между тремя фазами, то если напряжение на выводе А 312 Вольт (примем со знаком «+», напряжение на выводе — это разность потенциалов между началом и концом обмотки (нулевой точкой)), то на оставшихся двух выводах B и C должно быть (оно и есть) по -156 Вольт. То есть электроны в цепи начинают движение от области с потенциалом +312 Вольт к областям с потенциалами -156 Вольт. Если помните, мы остановили время и рассмотрели конкретный момент. Отключим остановку времени. Теперь ротор крутится и значения напряжений на выводах изменяются по синусоиде. Электроны все также движутся межу фазами, но периодически изменяют направления.
Завершая краткий экскурс в переменный ток хочется отметить, что говоря о движении электронов, нужно понимать не прохождение огромных расстояний со скоростью света, а скорее миллиметры (сантиметры). Электроны медлительные и они в проводах не перемещаются со скоростью света. Распространение со скоростью света происходит лишь у электрического поля, которое взаимодействует со всеми свободными электронами на любом участке провода.

Фаза, ноль, земля — что это

Рассмотрев кратко основы переменного тока определимся наконец с понятиями фаза, ноль, земля. С фазой, как правило, особых проблем в понимании нет. Все мы знаем, что она под напряжением и трогать ее не следует. Все системы с глухозаземленной нейтралью имеют заземленную нулевую точку в распределительном трансформаторе. Коснувшись фазы мы замыкаем цепь через землю и через тело проходит опасный ток.

Теперь разберемся с нулем. Как выше упоминалось, ноль — это точка соединение трех фаз с нагрузками. Также ноль — это точка соединения концов вторичных обмоток в трансформаторе. А все мы, как правило, под нулем понимаем четвертый провод, который соединяет две нулевые точки. Правильно ли это? Правильно, но нужно для полного понимания разделить все эти участки.

Рассмотрим ноль, как общую точку соединения фазных нагрузок. Почему ноль? Потому что, если нагрузка симметричная, то потенциал в этой точке равен 0 Вольт. И в самом деле, рассчитав разность потенциалов между тремя фазами со значениями напряжений +312, -156, -156 Вольт, получим 0 Вольт.

В реальной жизни все три фазы не могут быть нагружены одинаково. В связи с этим в нулевой точке уже появляется потенциал. А если неравномерность нагрузки значительная, этот потенциал может быть очень большим, а разброс напряжения у потребителей может быть от низких до очень высокими. И чтобы такого не происходило нулевые точки соединяются проводом. А так как нейтраль трансформатора глухозаземлена, то этот четвертый провод не что иное, как PEN проводник. По нему всегда течет ток, который равен геометрической сумме всех фазных токов.

На данном этапе уместно всех предупредить, не слушайте вредные советы многих некомпетентных электриков и никогда не трогайте нулевой (PEN) проводник. Он всегда под напряжением. Чаще под небольшим, но иногда бывает под опасно большим (при обрыве общего нуля). И то, что PEN проводник заземлен, никакой роли не играет. Ноль бьет током, так как PEN проводник имеет свое сопротивление. И чем он длиннее, тем больше сопротивление в удаленной от трансформатора точке. А если есть сопротивление, то будет разность потенциалов с землей, и дотронувшись до нулевого провода, через вас пройдет ток. И здесь не работает очередная глупость о том, что ток течет по пути наименьшего сопротивления. Ток в замкнутой цепи распределяется везде, только его сила обратно пропорциональна сопротивлению.

Завершим тему землей. Если рассматривать распространенную систему TN, то под разговорным названием «земля» нужно понимать защитное зануление. Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ — это преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности. То есть ноль и земля соединены в какой-то точке до разделения. Поэтому как ноль, так и землю без предварительной проверки не нужно трогать.

Варианты определения проводников «фаза»/«ноль»

Итак, наступила, ситуация, когда необходимо, например, подключить новую розетку. Но совершенно не понятно, какой из проводов является фазным, а какой нулевым. Способов быстро решить проблему существует несколько — это можно сделать как с применением специальных приборов, так и без них.

Цветовая окраска проводов, как основной ориентир

Это самый легкий и быстрый способ. Для правильной классификации нуля и фазы следует знать, какой цвет провода к чему относится. Предварительно необходимо будет изучить информацию о том, где четко прописаны действующие стандарты для конкретной страны.

Данный метод весьма актуален в любых новостройках, поскольку сейчас вся электрическая проводка прокладывается специалистами, выполняющими свою работу согласно всем требованиям установленных стандартов. Так, например, в России еще в 2004 году был принят стандарт «IEC60446», в котором четко обозначена процедура разделения кабелей по цветам, а именно:

• защитным нулем стал обозначаться провод желто-зеленого цвета;
• рабочим нулем стали называть синий/сине-белый провод;
• фазу — провода других цветов (например, черного, красного, коричневого и прочие).

Такое обозначение актуально в настоящее время.

Если проводка уже довольна старая или ее прокладкой занимались непрофессиональные специалисты, правильнее будет все же воспользоваться иными методами определения.

Отвертка-индикатор — незаменимое приспособление

Данный инструмент является неотъемлемым прибором в наборе домашнего электрика-умельца. Она применяется как при выполнении электромонтажных работ, так и при установке осветительных приборов в помещении или даже в процессе обыкновенной замены лампочек.

Принцип ее работы заключается в прохождении емкостного тока сквозь корпус отвертки через тело оператора.

Элементы отвертки:

• корпус, выполненный из диэлектрического материала;
• наконечник из металла в форме плоской отвертки, который прикладывают к проводам при проверке;
• неоновый индикатор — лампочка, сигнализирующая о фазовом потенциале;
• ограничитель тока — резистор, понижающий ток до минимального значения и выполняющий роль защитного механизма: защищает человека от поражения током, а само устройство от выхода из строя;
• контактная металлическая площадка, создающая замкнутую цепь через человека на землю.

Методика работы настолько проста, что справиться с ней может любой человек, даже новичок. Работает индикаторная отвертка следующим образом. При прикосновении наконечником к фазному контакту (цветному проводу) происходит замыкание электрической цепи — неоновая лампа должна загореться. То есть, поступает «сообщение» о наличии сопротивления, следовательно, данный кабель является фазой. В то же время ни на заземлении, ни на нуле, она загораться не должна. Если это происходит, можно с уверенностью говорить о том, что в схеме подключения электропроводки есть ошибки.

Работа с отверткой-индикатором в светлое время суток потребует некоторой внимательности — днем свечение лампы плохо заметно, поэтому придется приглядываться.

При работе с подобными приспособлениями нужно быть крайне осторожным — нельзя дотрагиваться до оголенных участков проводников и выводов индикатора, находящихся под напряжением.

На заметку! Профессиональные электрики пользуются более дорогими многофункциональными индикаторами, свечением которых управляет схема на транзисторах, питающаяся от встроенных аккумуляторов напряжением в 3 В. Еще одним их характерным отличием от простых аналогов является отсутствие контактной площадки, к которой нужно прикасаться при выполнении замеров.

Устройства, помимо своего прямого назначения — проверки фазового провода — выполняют и ряд других вспомогательных задач: определение полярности источников постоянного напряжения, места обрыва электроцепи и так далее.

Мультиметр — надежный помощник

Чтобы вычислить фазу, используя тестер, его необходимо переключить в режим «вольтметр» и мерить напряжение между всеми парными выводами кабелей. Соединение щупов с защитным нулем и заземлением должно показывать отсутствие напряжения. Напряжение между фазой и любым другим проводов должно составлять 220 В.

Способы определения проводов:

Так, в первом случае вольтметр отклоняется от нулевой отметки в цепи «ноль/фаза». На другом рисунке он показывает отсутствие напряжения между нулем и землей. И на третьем, вольтметр между фазой и землей показывает «0 В» поскольку проводник еще не подсоединен к земле. Третий случай — это скорее исключение из правил. Такое возможно, например, в случаях, когда старые кабеля здания находится на этапе реконструкции. В нормальной работающей системе электропроводки вольтметр тоже должен показывать 220 В.

Использование лампы накаливания

Перед началом работы необходимо будет собрать приспособление для тестирования. Оно будет состоять из обыкновенной лампочки, патрона и проводов. Лампа вкручивается в патрон, а к клеммам патрона крепятся проводники. Один из проводов необходимо будет заземлить, например, подсоединить к батарее отопления.

Сущность метода заключается в поочередном прикладывании второго (свободного) проводника ко всем тестируемым жилам. Если лампочка вспыхнет — найден фазный провод.

Метод позволяет установить приблизительно наличие фазного кабеля среди остальных. Сигнал лампы точно сигнализирует о том, что среди этих проводников какой-то фазовый, а какой-то нулевой. Если же лампа не горит, значит среди кабелей нет фазного. Но может случиться, что нет как раз именно нулевого.

Поэтому в большей степени данный метод целесообразен для определения работоспособности электрической проводки и правильности монтажа.

В чем отличие фазного проводника от нулевого?

Назначение фазного кабеля – подача электрической энергии к нужному месту. Если говорить о трехфазной электросети, то в ней на единственный нулевой провод (нейтральный) приходится три токоподающих. Это обусловлено тем, что поток электронов в цепи такого типа имеет фазовый сдвиг, равный 120 градусам, и наличия в ней одного нейтрального кабеля вполне достаточно. Разность потенциалов на фазном проводе составляет 220В, в то время как нулевой, как и заземляющий, не находится под напряжением. На паре фазных проводников значение напряжения составляет 380 В.

Линейные кабели предназначены для соединения нагрузочной фазы с генераторной. Назначение нейтрального провода (рабочего нуля) заключается в соединении нулей нагрузки и генератора. От генератора поток электронов перемещается к нагрузке по линейным проводникам, а его обратное движение происходит по нулевым кабелям.

Нулевой провод, как было сказано выше, не находится под напряжением. Этот проводник выполняет защитную функцию.

Назначение нулевого провода заключается в создании цепочки с низким показателем сопротивления, чтобы в случае короткого замыкания величины тока хватило для немедленного срабатывания устройства аварийного отключения.

Таким образом, за повреждением установки последует ее быстрое отключение от общей сети.

В современной проводке оболочка нейтрального проводника бывает синей или голубой. В старых схемах рабочий нулевой провод (нейтраль) совмещен с защитным. Такой кабель имеет покрытие желто-зеленого цвета.

В зависимости от назначения электропередающей линии она может иметь:

• Глухозаземленный нейтральный кабель.
• Изолированный нулевой провод.
• Эффективно-заземленный ноль.

Первый тип линий все чаще используется при обустройстве современных жилых зданий.

Чтобы такая сеть функционировала правильно, энергия для нее вырабатывается трехфазными генераторами и доставляется также по трем фазным проводникам, находящимся под высоким напряжением. Рабочий ноль, являющийся по счету четвертым проводом, подается от этой же генераторной установки.

Наглядно про разницу между фазой и нолем на видео:

Домашняя электропроводка: находим ноль и фазу

Установить в домашних условиях, где какой провод находится, можно разными способами. Мы разберем только самые распространенные и доступные практически любому человеку: с использованием обычной электрической лампочки, индикаторной отвертки и тестера (мультиметра).

Про цветовую маркировку фазных, нулевых и заземляющих проводов на видео:

Проверка с помощью электролампы

Перед тем, как приступить к такой проверке, нужно собрать с использованием лампочки устройство для проверки. Для этого ее следует вкрутить в подходящий по диаметру патрон, после чего закрепить на клемме провода, сняв изоляцию с их концов стриппером или обычным ножом. Затем проводники лампы нужно поочередно прикладывать к тестируемым жилам. Когда лампа загорится, это будет означать, что вы нашли фазный провод. Если проверяется кабель на две жилы, уже понятно, что вторая будет нулевой.

Проверка индикаторной отверткой

Хорошим помощником в работе, связанной с электрическим монтажом, является индикаторная отвертка. В основе работы этого недорогого инструмента лежит принцип протекания сквозь корпус индикатора емкостного тока. В ее состав входят следующие основные элементы:

• Металлический наконечник, имеющий форму плоской отвертки, который прикладывается к проводам для проверки.
• Неоновая лампочка, загорающаяся при прохождении сквозь нее тока и сигнализирующая таким образом о фазовом потенциале.
• Резистор для ограничения величины электрического тока, который защищает устройство от сгорания под воздействием мощного потока электронов.
• Контактная площадка, позволяющая при прикосновении к ней создать цепь.

Профессиональные электромонтеры используют в своей работе более дорогие светодиодные индикаторы с двумя встроенными элементами питания, но простенькое устройство китайского производства вполне доступно любому человеку и должно иметься у каждого хозяина дома.

Если вы проверяете наличие напряжения на проводе с помощью этого прибора при дневном свете, то придется приглядываться в ходе работы более внимательно, так как свечение сигнальной лампы будет плохо заметно.

При касании жалом отвертки фазного контакта сигнализатор загорается. При этом ни на защитном нуле, ни на заземлении светиться он не должен, в противном случае можно сделать вывод, что в схеме подключения имеются неполадки.

Пользуясь этим индикатором, будьте внимательны, чтобы нечаянно не коснуться рукой провода под напряжением.

Про определение фазы наглядно на видео:

Проверка мультиметром

Для определения фазы с помощью домашнего тестера прибор нужно поставить в режим вольтметра и измерить попарно величину напряжения между контактами. Между фазой и любым другим проводом этот показатель должен составлять 220 В, а прикладывание щупов к заземлению и защитному нулю должно показывать отсутствие напряжения.

Фаза и ноль в современной розетке

В устройствах современного типа есть три провода. Фаза бывает любого цвета. Помимо фазы и нуля имеется еще один провод (защитный нулевой). Цвет этого проводника — зеленый или желтый.

Через фазу подается напряжение. Ноль используется для защитного зануления. Третий провод нужен как дополнительная защита — для забора лишнего тока во время замыкания. Ток перенаправляется в землю или в обратную сторону — к источнику электричества.

Обратите внимание! Не имеет практического значения, справа или слева расположены фаза и ноль. Однако чаще всего фаза расположена слева, а ноль — справа.

Перепутать фазу и ноль

На заре электрификации подключение светильника было простым процессом. Очень часто вся конструкция представляла собой патрон со встроенным выключателем, а иногда ещё и с розеткой.

Сейчас люстра может быть сложной конструкцией, неправильное подключение которой может привести к срабатыванию защиты или некорректной работе ламп. Ситуацию осложняет то, что провода в кабеле разные – нулевой, фазный и заземляющим.

подключение пятирожковой люстры

Если заземление присоединяется к корпусу светильника, то с оставшимися проводниками вопрос более сложный, поэтому при выполнении этих работ важно знать, что будет, если перепутать фазу и ноль при подключении люстры

Разница между нулем и землей

Последствия неправильной коммутации нулевого и заземляющего проводников могут быть разными:

1. Неправильная работа приборов учета электроэнергии в меньшую или большую сторону. Соответственно в первом случае, когда компания-поставщик найдет ошибку, может быть начислен огромный штраф.
2. Некорректная работа устройств защитного отключения и дифференциальных автоматов: при существенных перепадах напряжения будет постоянно перегорать бытовая техника.
3. Отсутствие защиты человека от поражения током. Более того, неправильная схема может стать основной причиной удара.

Предыдущая

РазноеУЗИП — устройство защиты от импульсных перенапряжений

Следующая

РазноеВакуумный выключатель: устройство и принцип работы + нюансы выбора и подключения

Основы электротехники 7 – Трехфазные цепи

Этой публикацией мы продолжаем серию публикаций, посвящённых основам электротехники. В нёй мы поговорим о трёхфазных сетях переменного тока.

Сначала вспомним что такое фаза синусоиды. Мы уже говорили, что это фактически сдвиг синусоиды во времени. Если мы возьмём несколько источников и каждому зададим разные сдвиги, то получим многофазную систему цепей. В таком случае каждую цепь для простоты называют фазой. Как правило, обозначают фазы буквами (фаза А, фаза Б и так далее). Зачем вообще нужны многофазные цепи. Чтобы это понять, надо из мира схемообозначений выйти в мир реальный. Представим, что у нас есть катушка, обтекаемая переменным током. Она создает также переменное магнитное поле. Теперь поместим рядом такую же катушку, но обтекаемую током со смещенной фазой.

Тогда магнитное поле достигнет своего максимума сначала на одной катушки, а потом уже на другой. Поскольку одно поле неотличимо от другого, такое отставание во времени создаёт эффект движения поля в пространстве. Это очень важный момент: с помощью неподвижных проводников мы смогли получить подвижное магнитное поле. Теперь, зная это, разберёмся почему многофазные цепи, как правило, именно трехфазные.

На самом деле всё просто: три – это минимальное число катушек, с помощью которых можно получить равномерно вращающееся магнитное поле. Для этого их нужно поместить со сдвигом 120° в пространстве и подать на них напряжение, сдвинутые на 120° во времени.

В электромеханике, кстати, так и разделяют: электрические градусы и механические, и в общем случае они не равны друг другу. Но сейчас мы об этом не будем, это предмет уже не электротехники, а электромеханики, электрических машин. Сейчас просто утвердим для себя, что трехфазная цепь – это цепь, в которой есть три фазы, сдвинутые между собой на 120°. Это, кстати, очень удобно изображать на векторной диаграмме в виде симметричной тройки векторов. На практике обычно изображают только вектор фазы А. Поскольку остальные точно такие же, только смещённые. Источник трехфазного напряжения – это, как правило, трёхфазный генератор. По сути, это те же самые три катушки, которые мы обсуждали чуть выше, между которыми вращается магнит.

Он наводит в них ЭДС, сдвинутую во времени. Дальше любопытный вопрос: как это трёхфазное напряжение передать? Тянуть шесть проводов, но всё-таки слишком расточительно, поэтому обмотки соединяют между собой либо звездой, либо треугольником.

Рассмотрим сначала соединение звездой. При этом начала всех обмоток у нас свободны, а концы соединены.

Как видно из рисунка, здесь можно увидеть два разных напряжения: между началами соседних обмоток и на каждой отдельной обмотке. Напряжение между началами обмоток называется линейным, потому что это напряжение между двумя линиями передачи энергии. Напряжение между началом обмотки и общей точкой называется фазным, потому что это напряжение на одной фазе. Соотношение между амплитудами линейного и фазного напряжений можно вывести либо алгебраически, зная законы изменения напряжения в каждой фазе, либо геометрически из треугольника векторов. Так или иначе, но соотношение между ними равно корню из 3х. Кстати если 220 умножить на корень из 3х, то получится 380. Поэтому иногда и говорят, что однофазное напряжение у нас в домах это 220 вольт, а трёхфазное 380. На самом деле это одно и то же: просто заходит в дом три фазы, а по квартирам расходится уже по одной. Помимо напряжений различают также линейные и фазные токи.

Линейный ток течёт по линии, фазный по фазе. При соединении звездой линейные и фазные токи совпадают.

Второй вариант соединения фаз треугольником. При этом начало каждой фазы соединяется с концом следующим. В этом случае нейтрального провода уже нет, есть только три линейных. Напряжения, фазные и линейные, совпадают. А вот токи уже нет. Линейный ток больше фазного в корень из 3х раз. Тоже самое, что отношение, что и для напряжений при соединении звездой.

У каждого из типов соединения фаз есть свои преимущества и недостатки, причём в разных отраслях они свои.

Где-то важно наличие нулевого провода у звезды, где-то ценится замкнутость контура в треугольнике, где-то имеет смысл переключения с одного соединения на другое. Но это уже довольно специфические вопросы, и они выходят за рамки этой серии публикаций.

С трёхфазными цепями связана ещё одна очень важная вещь, уже из области схемотехники, это трёхфазный мост или мост Ларионова. Можно очень грубо сказать, что вся силовая электроника строится вокруг моста Ларионова так или иначе. В публикации, посвящённой полупроводникам, мы уже говорили об однофазном диодном мосте, состоящими из 4 диодов, добавим к ним ещё два и соединим в 2 группы: катодную и анодную. Посмотрим сначала на результаты её работы, а потом разберём принцип действия.

Видно, что результирующее напряжение это довольно неплохого качества выпрямленное напряжение. Иногда его называют шестипульсным, поскольку на одном периоде исходного напряжения у него приходится 6 периодов выпрямленного.

Разберём теперь его работу. Правило очень простое:  из всех диодов верхней, то есть катодной группы, проводят тот, к которому приложена наибольшее положительное напряжение, а из нижней, анодной, тот, к которому наибольшее отрицательное.

Посмотрим на интервал времени от π/6 до π/2.

Здесь самая положительная – эта фаза А, самая отрицательная фаза B. Значит открываются диоды 1 и 4. При этом к одному полюсу нагрузки оказывается приложено положительное напряжение, к другому – отрицательное.

Двигаемся дальше по времени, участок π/2 до π/6.

Самое положительное по-прежнему фаза А, а вот самая отрицательная теперь фаза C. Открывается диод 6, а диод 4 закрывается, у него снизу приложено большое напряжение от фазы С, а сверху уже не такое большое напряжение фазы Б. Для нагрузки, как видно, ничего не изменяется. Для неё напряжение всё того же знака и примерно такое же по значению.

Идём дальше и видим, что на интервале от 5π/6 до 3π/2 всё точно так же, только самые положительная уже фаза B, а в нижней части сменяют друг друга фазы C и А.

Наконец-то неизменной на оставшемся отрезке периода от фазы С получаем положительное напряжение, от А и Б – отрицательное. Фазы сменяют друг друга, а на нагрузке напряжение постоянное, хотя и пульсирующее. Его среднее значение можно вывести математически, но на практике обычно пользуются коэффициентом 2,34.

Также, как и в случае однофазной цепи, можно заменить диоды на транзисторы, то есть на управляемые ключи. Если мы теперь приложим постоянное напряжение, а ключи будем открывать так, как открывались выпрямительные диоды, то мы получим трехфазное переменное напряжение. Получается инвертор.

Здесь она ещё шинированное, сейчас о шине не будем, просто увидим, что форма напряжения получилось более-менее похожей на то, что нам нужно. С ним можно работать дальше: фильтровать, сглаживать и так далее. Кстати, если объединить оба эти прибора (выпрямитель и инвертор), получится преобразователь частоты. В самом деле, мы ведь можем формировать на выходе любую синусоиду, она никак не связана с исходными. На этом мы завершаем рассказ о трехфазных цепях. В следующей публикации, которая завершит эту серию, мы поговорим о качестве электроэнергии.

Этап разработки – Практическая EE

После того, как архитектура создана, необходимо определить, осуществим ли проект. Выполнимо ли это, учитывая доступные точки влияния и наборы навыков, которые можно применить? Чтобы определить это, определите основные области риска, области, не имеющие четкого решения, и области, где требуется новое изобретение или новая разработка. Затем создавайте эксперименты и создавайте прототипы, чтобы определить, что необходимо для решения и подтверждения проблемных областей.

Этап расследования — ключевая информация для определения

• Области высокого риска — Определите, какие области могут быть очень рискованными, чтобы можно было снизить риск.
• Области, требующие изобретательства – Выясните области, в которых существующие решения не будут работать и потребуются изобретения. Полагаться на новое изобретение рискованно и может потребоваться неизвестное количество времени, чтобы оно осуществилось.
• Области, требующие значительного развития — Определите области, которые потребуют большого количества инженерных ресурсов и нескольких циклов разработки.

После завершения экспериментов по исследованию этих проблемных областей будет принято решение о том, осуществим ли проект и следует ли его продолжить до этапа разработки.

Этап разработки

На этапе разработки выполняется основная часть работы над проектом. Инженеры-электрики будут проектировать и создавать прототипы электроники, тестировать их, устранять проблемы и внедрять исправления для следующей версии прототипа. Это обычно называется циклом сборки-тестирования-исправления, который повторяется до тех пор, пока не будут обнаружены и устранены все основные проблемы, а электроника не будет готова к работе. В этом обсуждении я сосредоточусь на этапе разработки PCA или набора PCA, потому что это то, с чем я знаком. Другие типы разработки, такие как кабели, могут быть похожими, но некоторые другие типы, такие как разработка FPGA, сильно отличаются от разработки PCA, поскольку в этом случае вы разрабатываете код, а не физический объект.

Начнем с процесса разработки прототипа EE. Это начинается с разработки схем, где вы реализуете компоненты для PCA и соединяете их. Пока разрабатываются схемы, выпускается спецификация (BOM), поэтому компоненты с длительным сроком поставки (компоненты, получение которых занимает много времени) можно приобрести до сборки прототипа. Важно получить спецификацию на ранней стадии, даже если ее все еще нужно изменить перед сборкой, потому что часто детали с длительным сроком выполнения являются критическим путем для создания ваших прототипов.

Процесс разработки EE PCA

• Начать схему
• Выпустить спецификацию с риском для покупки как можно скорее – Начать закупку компонентов с длительным сроком поставки
• Полная схема
• Обзор дизайна хоста, включение изменений из обзора
• Настройка Компоновка и размещение компонентов
• Обзор с машиностроением
• Полная компоновка и обзор с EE
• Выпуск Gerbers, спецификаций и схем для изготовления
• Архив файлов проекта и документации

После того, как схемы будут готовы, проведите обзор проекта. Как я уже говорил, я рекомендую разбивать обзоры дизайна на небольшие, целенаправленные встречи. Проведите обзор проекта, чтобы охватить темы функциональности и встроенного ПО, проведите обзор операций, чтобы обсудить цепочку поставок, производство и график, проведите обзор с командой EE, посвященный темам EE. Делайте хорошие заметки из обзора дизайна; попросите коллегу вести для вас заметки во время встречи, чтобы вы могли сосредоточиться на обсуждении. Вы, вероятно, получите много отзывов во время обзоров, некоторые хорошие отзывы, некоторые тривиальные или неприятные. Во время совещаний полезно просто принимать отзывы и записывать их, а не пытаться принимать решения по каждому пункту сразу же, если только вы не считаете, что тема обратной связи может быть полезной для группового обсуждения. В свободное время вы можете просмотреть отзывы один за другим. Обратитесь к каждому пункту, не принимайте некоторые пункты и укажите причины, внесите изменения, которые вы считаете правильными, и обсудите пункты, в которых вы не уверены, с коллегами. Затем отправьте сообщение всем, кто участвует в обзоре дизайна, с указанием результатов по каждому элементу обратной связи.

Далее: Этап производства

 Восемь ключевых этапов инженерного цикла

В любой день в Соединенных Штатах более 300 000 человек работают в области разработки электроники ¹ . Многие из этих инженеров работают в быстро развивающихся технологических компаниях и занимаются выпуском новейших гаджетов для потребительского рынка. Некоторые из них работают в государственных учреждениях и участвуют в проектах по улучшению производительности огромного арсенала правительственной электроники, спутников, средств связи и вооруженных сил, в то время как многие другие неустанно работают в определенных секторах рынка.

Чак ​​Чейз
Технический директор

В MJS Designs Чак Чейз является техническим директором и, в отличие от многих своих коллег в отрасли, занимает уникальную должность инженера-электронщика в MJS Designs.

В то время как многие инженеры тратят годы, если не десятилетия, на один проект, Чак может применить свои обширные знания и опыт в разнообразных проектах, реализуемых MJS Designs. В любой день Чак мог работать на система автоматической вспышки для коммерческого фотоаппарата, разработка схемы для проект военного освещения , разработка ручного датчика замыкания на землю для энергетики, или даже разработка контроллера зажигания для системы газового отопления.

Чак, выпускник инженерного факультета университетов штатов Колорадо и Аризона, работал с такими компаниями, как Motorola, McDonnell Douglas и FLIR Systems. Чак имеет обширный опыт в области силовых цепей, взрывателей снарядов и бортового радиоэлектронного оборудования, и он посвятил много времени разработке усовершенствованных радиолокационных систем охраны периметра. Фактически, Чак много лет был клиентом MJS Designs и был настолько впечатлен их работой, что пришло время сменить карьеру; MJS Designs был логичным выбором.

«Как заказчик, мне всегда нравилось, что MJS Designs собирает мои электронные сборки. Аппаратное обеспечение, созданное MJS, запускалось и работало сразу же без необходимости отладки в 99% случаев. Какая экономия времени!! Уровень успеха с другими контрактными производителями был очень низким по сравнению с ним». – Chuck Chase

В среднем инженерный проект в MJS Designs длится 3-5 месяцев. Само собой разумеется, что некоторые проекты выполняются быстро, а некоторые проекты могут занять год и более, чтобы завершить инженерную часть разработки проекта. В MJS Designs всегда есть несколько активных инженерных проектов. Чак опирается на давние отношения с инженерными субподрядчиками, когда это необходимо для поддержки этих проектов или когда для проекта требуется узкоспециализированный опыт.

В общем, инженерный цикл MJS Designs состоит из восьми ключевых этапов.

Цикл технической разработки

1 – Этап предложения – На этом раннем этапе проекта MJS устанавливает первоначальный контакт с заказчиком и определяет уровень усилий, которые потребуются для удовлетворения требований проекта заказчика. Это требует значительного объема обсуждений и обмена информацией между MJS и заказчиком. MJS Designs работает с самыми разными клиентами, у некоторых из которых есть не более чем общая идея, набросанная на салфетке, которые стремятся построить свой первый прототип, в то время как у других есть всеобъемлющий и очень подробный список функций, опций и спецификаций, которые необходимы для разработки продукта или продвижения продукта.

Кроме того, MJS Designs также работает с компаниями, которым требуется реинжиниринг . Это происходит, когда компания хочет воспроизвести продукт или функцию, а проектная документация устарела или отсутствует, а первоначальный поставщик или инженер больше недоступен.

После подробного рассмотрения требований проекта заказчику предоставляется предложение с фиксированной ценой, что является уникальным в отрасли. Требуется большой опыт, чтобы точно оценить инженерный проект, который не полностью определен, и предоставить фиксированную цену. После принятия клиентом предложения MJS проект переходит к этапу определения.

2 – Фаза определения – Эта фаза проекта дополнительно уточняет требования проекта и приводит к созданию спецификации продукта, которая определяет продукт, который заказчик получит. Время тратится с клиентом, чтобы получить полное и всестороннее понимание желаемого клиентом результата, вариантов функциональности, долгосрочных целей продукта и, конечно же, параметров бюджета.

Как только заказчик утверждает спецификацию продукта, проект переходит к этапу проектирования.

3 – Фаза электрического/механического проектирования – После четкого определения всех спецификаций, желаемых результатов и функций начинается схематическая работа. Схематический проект является основным документом для любой сборки электроники. Схема    показывает соединение компонентов в цепи понятным и стандартизированным способом. Это способ сообщить, какие именно компоненты задействованы в цепи, а также как они связаны. Схемы, созданные MJS Designs, будут отображать имена и значения компонентов, а также метки для разделов или компонентов. Завершенная схема затем используется для создания

Спецификация (ведомость материалов) .   Схема и спецификация работают вместе, чтобы полностью определить электронный дизайн.

Член группы инженеров-электриков MJS создаст схематический проект, используя один из сложных инструментов для ввода электронных схем, доступных в MJS. Эти инструменты включают Altium Designer и некоторые другие. Инженер может использовать другие электронные инструменты для проверки электронного проекта. Эти инструменты могут включать в себя симуляторы Spice, калькуляторы MTBF, инструменты целостности сигнала и инструменты расчета мощности.

Для удовлетворения системных требований также может потребоваться некоторое машиностроение. Обычно это включает в себя разработку специальных корпусов для электроники, разработку пластиковых корпусов на заказ или модификацию готовых корпусов COTS для соответствия механическим требованиям проекта. Команда MJS Engineering работает с сетью партнерских компаний и подрядчиков, чтобы удовлетворить требования механического проекта. Обычно это делается параллельно с усилиями по проектированию электроники.

После того, как документы схемы и спецификации готовы, проект готов к «Fab» или изготовлению голой печатной платы (PCB).

4 – Проектирование печатной платы и этап изготовления – Отделы проектирования и проектирования печатных плат работают вместе для создания проекта печатной платы на основе схемы проекта и спецификации. Проектирование печатной платы — это процесс размещения компонентов на печатной плате с последующим определением фактической медной дорожки, которая соединяет электронные компоненты для завершения электронной схемы. Инженерия и Конструктор печатных плат сначала разместит компоненты для достижения механических и электрических целей системы. Эти цели могут включать размещение разъемов для упрощения прокладки кабелей и межсистемных соединений, соблюдение ограничений по высоте компонентов, налагаемых корпусом электроники, и снижение системного шума для соответствия стандартам EMI/EMC. Проектировщик также предоставит другую важную информацию для проектировщика, такую ​​как уровни тока во всех частях конструкции, специальные требования к импедансу дорожки, специальную маркировку платы, спецификации монтажных отверстий и контрольных точек и т. д.

В случае с Чаком Чейзом в MJS Designs Чак часто сидит бок о бок с проектировщиком печатных плат, чтобы убедиться, что требования проекта соблюдены, а конструктор печатных плат полностью понимает желаемый результат проекта. После завершения проектирования печатной платы заказчику предоставляется окончательный вариант печатной платы для рассмотрения и утверждения. После согласования с инженерами, дизайнерами и заказчиком изготавливается голая печатная плата, и начинается процесс сборки печатной платы.

5 – Фаза сборки печатной платы – Фаза проекта сборки печатной платы включает в себя установку электронных компонентов на голую печатную плату. MJS Designs предлагает несколько типов печатных плат в сборе . Многие старые платы используют технологию сквозного отверстия, в которой используются компоненты с выводами, проникающими во все слои печатной платы. Наиболее распространенный тип сборки, используемый сегодня, известен как технология поверхностного монтажа (SMT), которая описывает метод, используемый для монтажа электроники на поверхности печатной платы. Многие печатные платы SMT включают макеты для корпусов в масштабе чипа. Примером может служить использование корпусов microBGA с шагом 0,4 мм. Устройства SMT помогают экономить место на самых маленьких печатных платах. MJS также выполняет установку компонентов как для свинцовых конструкций, так и для бессвинцовых сборок, которые с годами становятся все более и более популярными.

6 — Этап проверки сборки — На этапе сборки печатной платы проводится ряд тестов. К ним относятся автоматические визуальные проверки, чтобы убедиться, что все компоненты правильно ориентированы, подключены и чисты. В зависимости от требований заказчика печатная плата может быть проверена с помощью рентгеновского излучения или протестирована с помощью граничного сканирования или летающего зонда . По результатам испытаний сборочная бригада может изменить компоненты, чтобы привести сборку в соответствие со стандартами. Когда этап сборки завершен, собранные платы отправляются инженерам для интеграции и тестирования.

6 — Этап интеграции и тестирования — После завершения этапа сборки электроника передается в отдел разработки для окончательной оценки. Интеграция и тестирование относятся к процессу установки любого необходимого микропрограммного обеспечения или встроенного программного обеспечения (часто недавно разработанного) и обеспечения «запрограммированных» функций сборки, как указано в спецификации продукта. Часто это повторяющийся процесс, при котором прошивка/программное обеспечение модифицируются и повторно тестируются на оборудовании до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые результаты. Обычно это разовое техническое испытание с использованием ограниченного количества плат. Тестирование, проведенное на этапе интеграции и тестирования, обычно переносится в функциональное тестирование большего объема путем создания процедуры функционального тестирования, которая будет использоваться отделом тестирования.

7 – Процедура функционального тестирования Этап – Важным и критическим элементом цикла разработки является завершение процедур функционального тестирования. Процедура функционального тестирования может быть создана либо заказчиком, либо компанией MJS в зависимости от потребностей и возможностей заказчика. Процедура функциональных испытаний определяет испытания, которые должны выполняться на всех сборках печатных плат в рамках заводских приемочных испытаний. Важно, чтобы процедура функционального тестирования была разработана знающим инженером, который понимает, какие тесты необходимо выполнить, чтобы убедиться, что электромеханическая система работает в соответствии со спецификацией продукта.

8 – Функциональное тестирование Фаза – Отдел тестирования MJS проведет функциональное тестирование при поддержке группы инженеров по мере необходимости. Подузлы электроники можно тестировать как автономные системы, или, если реальная система доступна, то сборку печатной платы можно установить и протестировать в реальном изделии. Часто функциональное тестирование выполняется в диапазоне температур, напряжений и других условий. Узлы также могут быть подвергнуты специальным испытаниям, таким как удар, вибрация, EMI, EMC, безопасность, HALT и другие, в зависимости от требований заказчика. Эти специальные тесты проводятся при поддержке внешних испытательных центров, с которыми MJS регулярно заключает контракты. Цель всех испытаний состоит в том, чтобы гарантировать, что сборка печатной платы и продукт будут работать в соответствии с пожеланиями и с высокой надежностью, когда они попадут в руки конечного потребителя.

Резюме

На любом этапе инженерного цикла MJS Designs поддерживает активную связь с заказчиком и готова сделать столько, сколько нужно заказчику для его инженерного проекта.

Компания MJS Designs уже много лет использует лозунг «От прототипа к производству». Эта мысль охватывает весь цикл проектирования с полным комплексом услуг «под ключ» и быстрым выполнением работ под одной крышей, поэтому заказчик может иметь дело с одной командой и ему не нужно отслеживать каждый этап процесса через разных поставщиков.

В следующей таблице показано разнообразие инженерных услуг, доступных через MJS Designs. Также обобщены технологические специальности и опыт MJS.