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