Преобразователи постоянного напряжения, функциональная схема

 

На рис 51 показана схема ППН. В общем случае она состоит из 5 блоков. На входе блоки 1 постоянное Uвх преобразуется в переменное Uи прямоугольной формы). Частота Uи 10 или 100кГц. Блок 2 это высокочастотный выпр-ль напряжение Uи преобразуется в постоянное Uв, содержащее определенный уровень переменной составл (высокочастотной). На выходе ППН переменная составл Uв фильтруется с помощью ФНЧ (блок 3) до требуемого нагрузкой уровня. Блоки 1,2,3 наз-ся силовым каналом ППН.Все остальные устр-ва относятся к блоку управ-я. В состав ППН входят вспомогательные цепи ВС(блок 4), которые осуществляют защиту от сверхтоков и перенапряжения, сигнализацию, и мн-во сервисных ф-ий. Они входят в специализированную микросхему ШИМ-контроллер,куда относится и устр-во управ-я(5).Для управления ключом блока 1 используется так же уст-во управления 5, которое в случае стабилизированного ППН осуществляет регулирование выходного напряжения с помощью цепи ООС. Если в функциональной схеме присутствуют 1,2,3 блоки, то осуществляется преобразование электроэнергии постоянного тока одного качества в постоянного тока другого качества или конвертирование электроэнергии.

Такая процедура наз-ся конвертортированием электроэнергии,а ППН наз-ся конвертером. Если ППН выполняет ф-ию обратную выпрямлению переменного тока, то блоки 2 и 3 отсутствуют. Процедура преобразования наз-ся инвертирование электроэнергии, а ППН- инвертор, DC\AC преобразователь. Инверторы могут быть- однотактные и двухтактные, - транзисторные и терристорные, - с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Основные элементы инвер-ра- электронный ключ и транс-р. Высокочастотный транс-р преобразует пдводимое к его первичной обмотки постоян-е напр-е, но только в том случае,если это напр-е вызывает изменяющиеся во времени переменный магнитный поток в сердечнике, поэтому подводимое к первичной обмотки напр-е должно периодически коммутироваться с помощью прерывателя тока- электронного ключа. При этом в обмотке транс-ра индуцируется эдс, величины к-ых пропорцион-ны скорости изменения магнитного потока и числу витков в обмотке.

30

Ключевой режим работы тр-ра

В ППН исп-ют в основном электронные ключи на транз-ах, они полностью управляемые, могут обеспечить высокий кпд,имеют малые габариты.ВАХ БПТ приведены на рис.52,а ПТ на рис 54.При работе электронного ключа на его управляющий вывод подается импульсное напряж-е с периодом Т и шириной импульса tи

,fк- частота коммут-ии ключа. Коэфф-т заполнения опред-ся как. меньше 1

.Рассмотрим потери мощности при работе биполярного транз-ра(рис52). На интерв-ле от 0 до tи транз-р открыт и находится в состоянии насыщения т.1.Электронный ключ замкнут.Энергетические потери опред-ся , ,

Поэтому . (мала)

На интервале tи,Т рабочая точка перемещается в т.2. Транз-р закрыт и находится в состоянии отсечки. Электронный ключ разомкнут, поэтому ток кол-ра очень мал,а потери мощ-ти опред-ся как

При переходе из т.1 в т.2 и обратно, рабочая точка тран-ра находится в рабочей обл,но время tпер при прямоугольных импульсах напр-я очень мало,потери опред-ся как

Чем меньше tпер,тем меньше потери,поэтому здесь испол-ся высокочастотные транз-ры. В то же время Pперекл пропорционально частоте коммут-ии fк,чем больше fк,тем потери переключения больше и fк стрем-ся выбрать как можно больше, т.к габориты трансфор-ов и LC-фильтров обратно пропорц частоте. Обычно fк выбирают компромиссной или оптимальной, в зависимости от принимаемой элементной базы ППН.

31

ИСН понижающего типа

Рис55. на вход схемы подается постоянное напряжение U_п первичного источника питания. На управляющий электрод ключевого транзистора VТ подается прямоугольное напряж-ие Uупр. Когда ключ VТ на интервале от 0 до tu между стоком и истоком подается очень маленькое напряжение, поэтому в т1 +, диод VD закрыт этим «+».Ток ключа(ток стока I_с) протекает по цепи + U_п, VT,L,R_н,- U_п. В дросселе накапливается энергия и ток ч.з дроссель возрастает, как это показано на рис 56. На интер-ле tu,T, транзис-р закрыт и ток от первичного источника не потребляется. Источником энергии для нагрузки становится дроссель, ток нагр-ки протекает по цепи от т.2 к Rн ч.з VD т.1.Диод VD открыт, т.к вх. напряж-е Uп полностью приложено к транз-ру VT(т.к. разрыв цепи) и в т.1 «-».Дроссель отдает энергию в нагрузку, ток дросселя уменьшается. Если индук-ть L велика, то ток спадает медленно и величина пульсации тока ΔI_L мала.При уменьшении L наступает такой момент,когда ток дросселя становится равным 0 к моменту очередного открытия транз-ра. Такая индуктивность называется критической. Если продолжать уменьшать L, то в дрос. будет запасено так мало энергии, что это не обеспечит непрерывное протекание тока ч.з нагрузку, ток дросселя становится разрывным. При постоянной величине Rн ср. ток ч.з нагрузку не может изменяться, площадь импульса сохран-ся, след-но амплитуда пульсаций тока дросселя ΔI_L возрастает.Такой режим обычно не использ-ся, поэтому инукт-ть L выбирают больше критической, выходной конденсатор С выполняет ф-ю фильтра и обеспечивает требуемый уровень пульсаций напр-я на нагрузке. Т.к потребляемая энергия передается в нагрузку только на интервале имп-са от 0 до t_и, ср значение вых напряж-я равно , поэтому ИСН назыв. понижающим.

32

ИСН повышающего типа

Повышающая схема работает следующим образом.Когда ключевой транз-р VT открыт, ток протекает по цепи +U_п, L, VT(т.1и2), -U_п,рис 57. В этом контуре вх напр-е U_п уравновешивается эдс самоиндукции дросселя, а на VT падает очень маленькое напряж-е. в т.1 «-», и значит диод VD закрыт. Ток нагрузки протекает только за счет разряда конденсатора С.На интервале закрытого ключевого транз-ра VT м.у т. 1 и 2 ,т.е. разрыв цепи.Ток нагрузки протекает по цепи +U_п, L, VD, R_Н, -U_п. На этом интер-ле конденсатор заряжается от сети и к нему прикладывается сумма напряж-й U_п и эдс самоиндукции дросселя U_L.На рис 58 напряж-е на конденс-ре равно U_ни показано пунктиром., т.о напряж-е на нагрузке больше чем входное на величину U_L,поэтому схема назыв-ся повышающей,а вых.напряж-е опред-ся как .

Особенность схемы в том, что дроссель, накапливающий энергию вкл на вх и потребляемый ток при L>L_кр непрерывный.Эта особенность исп-ся в корректорах коэф.мощности. Конденс-р С на рис 57 функционально необходим, т.к обеспечивает ток нагрузки на интерв-ле от 0 до tu.Кроме того он сглаживает пульсации напряж. Вых. До допустимой вел-ны. Ток в нагрузку поступает от первичного ист-ка на инт-ле от 0 до t_и.

33

ИСН инвертирующего типа

Рис 59-60

Для этой схемы к _з- коэф-т заполнения, т.е вых напряж-е м.б больше входного и меньше. Кроме того полярность U_н противоположна полярн-ти питающего напряжения U_п.Поэтому схема назыв-ся инвертирующая или ИСН с параллельным дросселем.Рассм.работу схемы:

На интервале от (0;t_u) ключ VT открыт, к обмотке дросселя м.у точ 1и2 прикладывается вх напряж-е, поэтому в т.2 +,диод VD закрыт.Как и в повышающей схеме ток нагрузки обеспечивается за счет разряда С. Ток через нагрузку обеспечивается только за счет разряда конденсатора. Потребляемый ток протекает по цепи: +U_п, VT, L, -U_п. в дросселе накапливается энергия. На интервале (t_u,T) VT закрыт и все напряж-е питания приложено к нему. Источником энергии для нагрузки станов-ся дроссель. ток нагрузки протекает по цепи т.1, R_н, VD, т.2. Одновременно заряж-ся конденс-р С. Полярность U_н оказывается противоположной полярности U_п.В этой схеме при LбольшеL_кр ток через дроссель безразрывный.Однако ток петребления i_кл на рис 60 и ток,поступающий в нагрузку i_д имеют импульсный хар-р.Т.о. д/инвертирующей схемы хар-ны значит-ые пульсации тока.

 

36