Способы импульсного регулирования напряжения

12. Импульсное регулирование постоянного напряжения

Импульсное регулирова­ние постоянного напряжения осуществляется при помощи импульсных преобразователей (прерывателей постоянного тока), включенных последо­ва­тельно в цепь нагрузки (рис. 12.1). В зависимости от мощности нагрузки применяют транзисторные или тиристорные прерыватели (ТП).

Импульсный преобразователь или прерыватель постоянного тока предназначен для включения и отключения нагрузки, а также для непосредствен­ного преобразования нерегулируемого напряжения источника постоянного тока в регулируемое. В качестве источника может быть применен аккумулятор, выпрямитель, генератор постоянного тока.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить из соотношения:

где t_и – длительность проводящего состояния преобразователя; t_п – длительность непроводящего состояния преобразователя; Т_к – период коммутации; f_к = 1/ Т_к – частота коммутации; δ – коэффициент передачи выпрямителя. Величина, обратная δ, называется скважностью.

Из формулы (12.1) видно, что среднее значение напряжения на нагрузке (U_2ср) можно регу­ли­ровать двумя способами:

1) путем изменения интервала проводимости (t_и) ключа при постоянстве частоты комму­тации (f_к) прерывателя; такое регулирование называется широтно-импульсным (ШИМ) и изображено на рис. 12.2, а;

2) путем изменения частоты коммутации (f_к) при постоянстве интервала проводимости (t_u); такое регулирование называется частотно-импульсным (ЧИМ), изображено на рис. 12.2, б.

Преимущественное использование на практике ШИМ объясняется наличием следую­щих недостатков у ЧИМ:

· возможностью появления прерывистого тока при низких часто­тах;

· появлением радиопомех на высоких частотах.

Широтно-импульсное регулирование находит все более широкое приме­нение для регулирования и стабилизации электрических параметров на­грузок различного рода (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т.д.) Это объясняется рядом их преимуществ: высоким КПД; высоким быстродействием; точностью регулирования выходного напряжения в широком диапа­зоне; высокой точностью управления при сохранении устойчивости; слабой чувствитель­ностью к изменениям температуры окружающей среды.

Однако им свойственны и некоторые недостатки: наличие пульсаций выходного на­пряже­ния создает необходимость устанавливать фильтры, что вызывает инерционность преоб­разователя и сложность управления для обеспечения устойчивости работы на им­пульсную нагрузку.

Схема импульсного коммутатора постоянного тока (рис. 12.3) содержит силовой тиристор VS_c и узел принудитель­ного выключения силового тиристора, содержащий коммутирующий тиристор VS_к, ком­му­тирующие индуктивность L_к и емкость С_к, коммутирующий ди

Подготовка схемы к работе начинается с заряда коммутирующей емкости C_к с по­ляр­ностью, указанной на рис. 12.3. Заряд коммутирующей емкости C_к можно осуществить с помощью кнопки К_з через сопротивление R_з по цепи «+» — C_к — К_з — R_з — «-», или при по­мощи специальной системы управления коммутатором, которая первый импульс по­дает на коммутирующий тиристор VS_к, и после его открытия происходит заряд C_к.

Работа схемы начинается после включения силового тиристора VS_с. При этом обра­зуется две цепи: одна для протекания тока нагрузки, другая – для перезаряда ком­му­тирующей емкости C_к. Время перезаряда емкости C_к определяется параметрами ко­леба­тельного контура, образованного коммутирующими элементами L_к и С_к.

После перезаряд C_к происходит вынужденное выключение силового тиристора VS_c с помощью приложенного к нему обратного напряжения через коммутирующий тиристор VS_{к . В процессе выключения VSc емкость Cк разряжается. После запирания силового ти­ристора в работе остается коммутирующий тиристор VSк и, осуществляя заряд емкости Cк, подготавливает схему к дальнейшей работе.}

Импульсный коммутатор переменного тока (рис. 12.4) обладает двухсторонней про­водимостью тока. В одну из диагоналей диодного моста включается ТП с ШИМ, а через другую диагональ подключается нагрузка к сети переменного напряжения. Процессы, происходящие в данной схеме, поясняются диаграммой (рис. 12.5).

В положительную полуволну напряжения сети работают диоды VD1, VD4 им­пульсный коммутатор. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют со­вместно с диодами VD2, VD3 тот же импульсный коммутатор. Процесс регулирования первой гармонической составляющей выходного напряжения осуществляется изменением длтельности работы силового тиристора VS_c.

На практике питание нагрузок постоянного тока чаще осуществляется выпрямленным на­пряжением, поэтому представляет интерес работа ТП с ШИМ в цепи нагрузки выпрямителя (рис. 12.7).

Особенностей в работе импульсного коммутатора в цепи выпрямленного тока и в цепи постоянного тока нет, отличие заключается лишь в форме выходного напряжения (рис. 12.7). Выходное напряжение состоит из регулируемых импульсов, полученных из двухполупериодного выпрямленного напряжения. Регули­рова­ние импульсов среднего выпрямленного напряжения осуществляется широтно-ипульсным способом.

Поскольку в обеих схемах (рис. 12.4 и 12.6) тиристорный коммутатор вклю­чен в диагональ выпрямленного тока, то процессы, происходящие собственно в ТП с ШИМ, анало­гичны.

Источник

Принцип импульсного регулирования напряжения

В основе работы импульсных преобразователей лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент “к”, который периодически замыкается и размыкается.

Время замкнутого (t_р) и разомкнутого (t₀) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления “СУ”. В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис 64б.

Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояний ключа К.

Согласно определению среднего значения напряжения можно записать:

(4-67)

где U_d — среднее значение напряжения на нагрузке;

t = t_р + t₀ — период переключения ключа или время цикла регулирования;

¦ = 1/t — частота переключения ключа.

Отношение (t_р /t) = g (4-68) называют коэффициентом заполнения периода рабочим импульсом. Изменяя g, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке.

Иногда рассматривается обратная величина q = (1/ g) = (t / t_р), которая называется скважностью работы ключа.

При установлении соотношений между входным и выходным напряжениями, выявляя зависимость тока импульсного преобразователя от регулирующей переменной мы будем использовать коэффициент g.

Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения коэффициента g можно рассматривать как широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке.

Возможны три способа регулирования напряжения:

Широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда время t_р — переменное, а частота ¦- постоянная;

Частотно- импульсное регулирование (ЧИР), когда время t_р — постоянное, а частота ¦- переменная;

Широтно-частотное регулирование, когда время t_р и частота ¦ — переменные.

Чаще всего используется первый способ регулирования выходного напряжения. Его мы будем рассматривать.

Таким образом время рабочего импульса и время паузы связаны с g соотношениями:

Схема регулирования напряжения и диаграмма, изображенные на рис 64, могут быть реализованы лишь при активном сопротивлении нагрузки.

При использовании импульсного регулирования в системах электропривода нагрузка имеет активно- индуктивный характер и часто в составе нагрузки присутствует источник ЭДС.

В таком случае должен быть предусмотрен обратный вентиль. Он обеспечивает непрерывность тока в нагрузке при разрыве цепи импульсным элементом (ключом). На рис 65 изображена схема диаграммы напряжения и тока при активно- индуктивной нагрузке с противо-ЭДС.

На основании баланса энергии, поступающей в нагрузку из сети (от U_пит) и энергии, которая тратится в нагрузке, выявим зависимость, (связь) между средним значением тока, напряжением питания U_пит , ЭДС нагрузки E_н и коэффициентом g. При получении этой зависимости введем допущение, что среднее и действующее значение тока в нагрузке равны. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если L_н = ¥).

Разделим левую и правую части на t, тогда:

Уравнение (1) представляет собой уравнение баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (t_р) и энергии, тратящейся в нагрузке за время t. W_L — энергия, накапливаемая в индуктивности за время t_р. Этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, равного I за время паузы (t₀).

Прибавив к правой части уравнения значение W_L , получаем уравнение баланса энергии (2). Дальнейшие действия ясны без пояснений.

Уравнение (4-71) дает связь переменной g с переменными I ,U_н ,E_н .

Уравнение (4-72) показывает, что регулирование тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением g при неизменных R_н ,U_н ,E_н.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Импульсные преобразователи постоянного напряжения.

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U_Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U_н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U_н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t_и и паузой t_п (рисунок 4.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U_н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

где — коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t_и =0; γ=0) до Е (t_и =T; γ=1).

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t_и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением:

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное преобразование ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t_и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 4.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z_н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L_ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г — образный LC фильтр. Диод VD₀ предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , U_вых=Е, диод VD₀ закрыт. Через нагрузку протекает ток i_н по цепи (+Е)-К- L_ф-Z_н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t₂-t₃, t₄-t₅ связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L_ф и индуктивностью нагрузки L_н и замыкается через VD₀ вследствие чего U_вых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L_ф и подводящих проводом U_н=U_вых , определяется средним значением U_вых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i_н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

• блок питания (источник питания);
• ключ – элемент коммутации;
• накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
• диод блокировки;
• фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

• триггер Шмитта;
• ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
• ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

• тиристор;
• транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

• блоки питания ЖК телеприёмников;
• оборудование навигации;
• источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео

Источник