Импульсные регуляторы напряжения – 5. Импульсные регуляторы напряжения

Содержание

5. Импульсные регуляторы напряжения

Как следует из экспериментов, проведенных в разделе 3.7, КПД линейных стабилизаторов является низким из-за потерь в транзисторах регулирующего элемента, кроме того требуются мощные теплоотводы, превышающие по габаритам и массе сами стабилизаторы.

Повысить КПД можно, если транзисторы регулирующих элементов будут работать в ключевом режиме.

При использовании MOSFET и IGBT транзисторов проблема КПД и массово-габаритных показателей решается достаточно просто. Регулирование напряжения в этом случае осуществляется следующим образом: из постоянного напряжения формируются однополярные импульсы с постоянной составляющей, величина которой пропорциональна длительности импульсов. Схема идеального ключевого регулятора и осциллограммы, поясняющие его принцип работы, показаны на рисунке 5.1.

U1

Рисунок 5.1

Среднее значение выходного напряжения Uн:

Где γ=t1/T – коэффициент заполнения импульса.

Изменяя значение коэффициента можно регулировать выходное напряжение импульсного регулятора. Для получения постоянного напряжения необходимы фильтры.

Существуют три основные схемы импульсных регуляторов напряжения (ИРН), преобразующих переменное напряжение в постоянное (конверторы ДС-ДС): последовательный ИРН понижающего типа, ИРН параллельный повышающего и ИРН параллельный инвертирующего типа.

5.1. Импульсный регулятор напряжения последовательного типа.

На рисунке 5.2. изображена схема ИРН понижающего типа

Импульсный регулятор напряжения понижающего типа

Рисунок 5.2

Проходной транзистор Q1 находится в одном из двух режимов – насыщения (транзистор открыт) или отсечки (транзистор закрыт). Если Q1 открыт (насыщен), ток поступает от источника постоянной ЭДС U1 через дроссель L в нагрузку R одновременно заряжается конденсатор C. Когда транзистор Q1 закрыт, ток через индуктивность по закону коммутации, протекая по цепи L — C║R, общий провод ┴, диод Q, способствует поддержанию выходного напряжения Uн.

При определении регулировочной характеристики составляются выражения для определения напряжения на индуктивности на каждом интервале работы транзистора.

Транзистор Q1 открыт от 0 до t1

где

ток через индуктивность за время t=t1 нарастает, а за интервал времени

равномерно уменьшается. Из равенства токов для каждого интервала времени определяется регулировочная характеристика:

Ток через нагрузку должен превышать ток пульсации дросселя:

Откуда значение индуктивности дросселя равно:

Где γ=γmax, fp=1/T – рабочая частота, сопротивление Rн=Rн max.

Рекомендуемое значение L:

Для определения значения емкости C, положим ток нагрузки равным

, тогда для интервала (T-t1):

где fp=1/T, γ=t1/T, Kп=ΔUн/Uн – коэффициент пульсации

Ток через транзистор и диод , где значение индуктивности равно рекомендуемому.

Напряжение транзистора, диода и емкости

По данным ,,и выбираются транзисторы и диоды. КПД регулятора , где — прямое падение напряжения диода, — напряжение насыщения коллектор — эмиттер(сток — исток). Ток потребляемый регулятором находится из баланса мощностей

5.3. Исследование импульсного регулятора понижающего типа

Цель: построение регулировочной характеристика, выходной характеристики, снятие осциллограмм токов через транзистор, диод и дроссель. Оценка влияния изменения сопротивления нагрузки на формы токов(

,и )

Приборы и элементы

— транзистор IRG4BC20U Q1

Диод Шоттки 10BQ040 D1

Резисторы R1=20Ом, R2=510 Ом,

Индуктивность L1=10мГн

Емкость С1=3мкФ

Сопротивление нагрузки R1=2Ом

Потенциометр R=10Ом

Датчики тока R=10млОм

Амперметры U2, U3

Вольтметры U

1

Четырехканальный осциллограф XSC1

Двухканальный осциллограф XSC2

Функциональный генератор XFG1

Источник постоянной ЭДС V1

Исходные данные и значения номиналов элементов входящих в схему.

Исходные данные:

U1=25В – входное напряжение ЭДС постоянного тока;

Rн=( R6+ R7)=(212)Ом – сопротивление нагрузки;

=20 кГц – рабочая частота;

— коэффициент заполнения импульса.

Рабочая частота и коэффициент заполнения импульса задается с помощью функционального генератора XFG1 форма импульсов прямоугольна

Максимальные значения напряжения и тока нагрузки

Максимальные значения напряжения на диоде D1и транзисторе Q1

Значение индуктивности из условия непрерывности тока через катушку , L1=500мкГн.

Значение емкости ,

С1=2мкФ.

Максимальное значение токов через диод и транзистор

По значениям, , выбраны диод с барьером Шоттки D1 10BQ040 и транзистор IGBT – IRG4BC20U/

Сопротивление датчиков тока R3, R4, R5 выбираются из условия R2=R3=R4=(0,05Rнmin

Резистор R1 выбирается из условия обеспечения максимального зарядного тока входной емкости C

11 IGBT транзистора. Максимальный зарядный ток затвора Iсз=1 А, напряжение затвор-эмиттер Uзэ=20В.

Диод VD2 позволяет сократить время разряда входной емкости.

Исследуемая схема изображена на рисунке 5.3.

ИРН понижающего типа

Рисунок 5.3

Рисунок 5.4

  1. форма тока через дроссель

  2. форма напряжения на диоде D1

  3. форма тока через транзистор

  4. форма тока через диод

Порядок проведения эксперимента

Эксперимент 1. построение регулировочной характеристики ИРН понижающего типа для Rн max= 12 Ом и Rн min=2 Ом. Определение входного сопротивления при различных γ.

  1. Откройте файл «ИРН понижающего типа» или соберите схему, изображенную на рис. 4.3. установите значение Rн min=R7=2 Ом, а R6=0 Ом (0%). Включите схему. Изменяя значения γ от 0.2 (20% — duty Cycle) c шагом Δγ=0.1, занесите в таблицу показания вольтметра U2, измеряющего Uн .

  2. Установите значение ,

R6max=10 Ом (100%) и повторите опыт а). Постройте регулировочную характеристику

Uн(Rн min)=f(γ) и Uн(Rн max)=f(γ). Проведите сравнительный анализ и сделайте выводы относительно теоретической зависимости Uн=U1*γ, почему нет совпадений.

  1. Установите значения: γ1=0.3, γ2=0.5, γ3=0.9. изменяя величину Rн от 12 до 2 Ом, занесите показания вольтметра U2, амперметра U1 в таблицу. По табличным данным постройте выходные характеристики ИРН для трех случаев (γ1=0.3, γ2=0.5, γ3=0.9). По полученным зависимостям найти выходные сопротивления. Провести сравнительный анализ, сделайте выводы о поведении напряжения нагрузки в зависимости от тока нагрузки при различных γ.

  2. Рассчитайте КПД регулятора, используя показания амперметра U4 (ток потребления I0), амперметра U3 (ток нагрузки I

    н) и вольтметра U2 (напряжение нагрузки Uн) для γ2=0.5 и γ3=0.9 для двух случаев и

Потребляемая мощность:

Мощность, выделяемая нагрузкой

КПД

Сделайте выводы.

studfiles.net

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ — PDF

Лекция 12 ИНВЕРТОРЫ. План

5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,

Подробнее

Лекция 2 ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

109 Лекция ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ План 1. Анализ цепей с диодами.. Источники вторичного электропитания. 3. Выпрямители. 4. Сглаживающие фильтры. 5. Стабилизаторы напряжения. 6. Выводы. 1. Анализ

Подробнее

Лекция 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) План

75 Лекция 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) План 1. Введение 2. Однополупериодный управляемый выпрямитель 3. Двухполупериодные управляемые выпрямители 4. Сглаживающие фильтры 5. Потери и КПД выпрямителей 6.

Подробнее

Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ

Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ План 1. Источники вторичного электропитания 2. Однополупериодный выпрямитель 3. Двухполупериодные выпрямители 4. Трехфазные выпрямители 67 1. Источники вторичного электропитания Источники

Подробнее

Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

84 Лекция 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План 1. Введение 2. Параметрические стабилизаторы 3. Компенсационные стабилизаторы 4. Интегральные стабилизаторы напряжения 5. Выводы 1. Введение Для работы электронных

Подробнее

1. Назначение и устройство выпрямителей

Тема 16. Выпрямители 1. Назначение и устройство выпрямителей Выпрямители это устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 1 представлена структурная схема выпрямителя,

Подробнее

Рисунок 4.1 Блок-схема инвертора

Тема 4. Инверторы и аккумуляторные батареи (2 часа) Инвертор — прибор преобразующий постоянное напряжение в переменное. Потребность в инверторах существует для решения задачи питания устройств для бытовой

Подробнее

Список информационных источников

Список информационных источников 1.Круглосуточное удлинение конечностей в автоматическом режиме/ В.И. Шевцов, А.В. Попков// Электронный журнал «Регенеративная хирургия». 2003. — 1. МНОГОФАЗНАЯ СХЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Подробнее

Исследование однофазных выпрямителей

63. Исследование однофазных выпрямителей Цель работы:. Изучение устройства и принципа работы однофазных выпрямителей. 2. Определение внешних характеристик выпрямителей. Требуемое оборудование: Модульный

Подробнее

ИНВАРИАНТНЫЙ К НАГРУЗКЕ ИНВЕРТОР

Соловьев И.Н., Гранков И.Е. ИНВАРИАНТНЫЙ К НАГРУЗКЕ ИНВЕРТОР Актуальной, сегодня, является задача обеспечения работы инвертора с нагрузками различных типов. Работа инвертора с линейными нагрузками достаточно

Подробнее

Лабораторная работа 5.3

Лабораторная работа 5.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ 5.3.1. Выпрямители Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основное назначение выпрямителя

Подробнее

15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций

Подробнее

ÕÓ Â ÒıÂÏ ÒÚ ÚË ÂÒÍËı

ÕÓ Â ÒıÂÏ ÒÚ ÚË ÂÒÍËı ÔappleÂÓ apple ÁÓ ÚÂÎÂÈ ÎÂÍÚappleË ÂÒÍÓÈ ÌÂapple ËË Ë Ëı Òapple ÌËÚÂÎ Ì È Ì ÎËÁ В статье предложены новые подходы к построению статических преобразователей, позволяющие повысить их

Подробнее

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические

Подробнее

Импульсные источники питания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра радиофизики Практикум по радиоэлектронике Импульсные источники питания Методические указания

Подробнее

Лабораторная работа 2

Лабораторная работа 2 Исследование преобразовательных устройств : инвертора,конвертора в программной среде моделирования электронных схем Electronics Workbench 5.12. Цель работы: Ознакомиться с работой

Подробнее

U(t)U(t ) = A e t t U = U in

Задачи и вопросы по курсу «Радиофизика» для подготовки к экзамену С. П. Вятчанин Определения. Дана — цепочка, на вход которой подается напряжение частоты ω. При какой максимальной частоте еще можно считать,

Подробнее

6 ИССЛЕДОВАНИE ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Лабораторная работа 6 ИССЛЕДОВАНИE ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ 1. Цель работы Изучение схем включения операционного усилителя с обратными связями в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя; исследование

Подробнее

Контрольные вопросы Понижающий ППН

Глава 10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 10.1. Классификация преобразователей постоянного напряжения Преобразователи постоянного напряжения (ППН) предназначены для преобразования постоянного напряжения

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

Одновибраторы на дискретных элементах.

11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 13 СПЕКТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

ЛЕКЦИЯ 13 СПЕКТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Если воздействовать на колебательный контур гармоническим сигналом, то на выходе будет тоже гармонический сигнал. Подавая на вход какой-либо сигнал, его можно разложить

Подробнее

1211ЕУ1/1А ДВУХТАKТНЫЙ KОНТРОЛЛЕР ЭПРА

ЕУ/А ОСОБЕННОСТИ w Двухтактный выход с паузой между импульсами w Вход переключения частоты w Kомпактный корпус w Минимальное количество навесных элементов w Малая потребляемая мощность w Возможность применения

Подробнее

1211ЕУ1/1А ДВУХТАKТНЫЙ KОНТРОЛЛЕР ЭПРА

_DS_ru.qxd.0.0 :9 Page ЕУ/А ОСОБЕННОСТИ Двухтактный выход с паузой между импульсами Вход переключения частоты Kомпактный корпус Минимальное количество навесных элементов Малая потребляемая мощность Возможность

Подробнее

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Энергетический институт Кафедра: ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Тема: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ Преподаватель:

Подробнее

«Электронный дроссель» Евгений Карпов

«Электронный дроссель» Евгений Карпов В статье рассмотрены особенности работы электронного силового фильтра и возможность его использования в звуковоспроизводящей аппаратуре. Побудительным мотивом написания

Подробнее

Выпрямители синусоидального тока

1 Лекции профессора Полевского В.И. Выпрямители синусоидального тока Вольтамперная характеристика электропреобразовательного диода На рис. 1.1. представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) электропреобразовательного

Подробнее

10. Измерения импульсных сигналов.

0. Измерения импульсных сигналов. Необходимость измерения параметров импульсных сигналов возникает, когда требуется получить визуальную оценку сигнала в виде осциллограмм или показаний измерительных приборов,

Подробнее

Методика построения непрерывных моделей

Методика построения непрерывных моделей импульсных преобразователей напряжения постоянного тока Анатолий КОРШУНОВ, д. т. н. В статье рассмотрена методика получения предельных непрерывных моделей импульсных

Подробнее

Проблема коррекции коэффициента мощности

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Игнатенко В.В. ПрЭ-1106. гр.361-3 Проблема коррекции коэффициента мощности Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными

Подробнее

docplayer.ru

5.1.5 Импульсные регуляторы

В основе работы импульсных или ключевых регуляторов напряжения лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент , (рис. 5.1.11) который периодически замыкается и размыкается.

Рис.5.1.11 Импульсный регулятор с последовательным ключевым элементом: а) эквивалентная схема; б) диаграмма выходного напряжения на нагрузке; в) зависимость коэффициента пульсаций от времени разомкнутого состояния ключа

Время замкнутого и разомкнутогосостояния ключа можно 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. 5.1.11,б. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояния ключа. Согласно определению, среднее значение напряжения можно записать:

где – среднее значение напряжения на нагрузке;– период переключения ключа;– частота переключения ключа.

Отношение называют скважностью работы ключа. Изменяя скважность, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке. Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения скважности, можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключом. Возможны три способа модуляции входного напряжения:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда время – переменная, а частота– постоянная.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), когда время – постоянная, а частота– переменная.

3. Широтно-частотная модуляция (ШЧМ), когда время и частота– переменные.

Система автоматического управления ключом может быть выполнена, как с цепью обратной связи (регулирование по отклонению), так и без цепи обратной связи, с контролем входного напряжения (регулирование по возмущению). В этих случаях ключевой регулятор можно считать регулятором компенсационного типа. Кроме того, существует класс ключевых регуляторов с регулированием релейного типа. В таких преобразователях сигнал в цепи обратной связи, подаваемый на исполнительный орган (в данном случае ключ ) изменяется скачком, когда сигнал рассогласования эталонного и контролируемого напряжений становятся равным нулю. При расчете ключевых регуляторов чаще всего используются следующие параметры:

1. Среднее значение выходного напряжения

,

его относительное значение ;

2. Действующее значение выходного напряжения

и его относительное значение ;

3. Коэффициент формы

;

4. Коэффициент пульсации

,

где – амплитуда первой гармоники кривой выходного напряжения.

Коэффициент пульсации увеличивается с ростом скважности , т.е. при увеличении времениключа. На рис. 5.1.11, в представлена зависимость КП от, из которой видно, что он может при работе регулятора изменяться в диапазоне от 0 до 2 (или 200%). В формуле выше не учитывает высшие гармоники в кривой выходного напряжения, амплитуда которой также существенно увеличивается с ростом скважности, затрудняя фильтрацию переменной составляющей в целом.

В некоторых схемах ключевой элемент может быть включен параллельно нагрузке рис. 5.1.12.

Рис. 5.1.12 Импульсный стабилизатор с параллельным ключевым элементом

Сущность регулирования напряжения в таких схемах аналогична, но сами схемы и электромагнитные процессы в регуляторах с параллельным ключом значительно отличаются от схем и процессов, протекающих в регуляторах с последовательным ключевым элементом.

Поскольку напряжение после ключевого элемента носит явно выраженный импульсный характер, в ключевых регуляторах устанавливают фильтры состоящие из реактивных элементов – индуктивности и емкости. Назначение выходных фильтров – отфильтрововать переменную составляющую напряжения, уменьшив тем самым коэффициент пульсации напряжения на нагрузке. Помимо выходных фильтров, некоторые регуляторы содержат входные фильтры, предназначенные для уменьшения пульсации тока, потребляемого от источника постоянного тока. В большинстве схем ключевых регуляторов параметры фильтра определяют характер электромагнитных процессов, протекающих в схеме, и расчет их имеет свои особенности.

Остановимся более подробно на основных расчетных соотношениях и процессах характеризующих работу ключевых регуляторов. Рассмотрим схему с последовательным ключевым элементом (например транзистором) и Г-образным -фильтром, получившим наиболее широкое распространение (рис. 5.1.13).

Рис. 5.1.13. Импульсный регулятор с -фильтром: а) принципиальная схема; б) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с непрерывным током; в) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с прерывным током

Предположим, что в момент времени транзистор перешел в открытое состояние. Под воздействием разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе начинает нарастать ток . Полагая транзистор идеальным ключевым элементом, падение напряжения на котором равно нулю, и пренебрегая пульсацией напряжения на конденсаторе, которая практически мала, получаем уравнение:

.

Из этого выражения, следует, что ток будет нарастать по линейному закону:

,

где – ток, проходящий в момент выключения транзистора.

В момент времени происходит включение транзистора. В схему введен диод, через который в момент размыкания ключа начинает протекать ток . При отсутствии диода на разомкнутом ключевом элементе возникли бы недопустимые перенапряжения, которые привели бы его к выходу из строя. Переход в проводящем состоянии диода равнозначен закорачиванию входа фильтра (если считать диод идеальным, падение напряжения на котором равно нулю). В результате к реактору прикладывается напряжение нагрузкив направлении уменьшающим ток , что можно выразить уравнением:

.

Из этого выражения следует, что ток в реакторе начинает убывать по линейному закону.

,

где – ток в моменткогда происходит размыкание ключа.

Затем в момент снова происходит включение ключа, и ток начинает увеличиваться.

Если к концу интервала разомкнутого состояния ключа ток не успевает снизиться до нуля, то такой режим работы называют режимом непрерывного тока. На рис. 5.1.13 представлены диаграммы токов и напряжений на элементах схемы в режиме работы непрерывного тока, который является для большинства схем основным. Пульсации тока в реакторе:

.

Пульсации выходного напряжения можно определить исходя из следующих соображений: в установившемся режиме работы схемы с нагрузкойсреднее значение токов в реакторе и в нагрузке равны между собой, следовательно, среднее значение тока протекающего через конденсатор равно нулю; и изменение напряжения (т.е. пульсация) определяется только пульсацией тока . Когда ток выше среднего значения, напряжение на конденсаторе увеличивается, а когда меньше – уменьшается. Учитывая сказанное можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи реактора и конденсатора в следующем виде:

где – период переключения ключевого элемента,– среднее значение тока, поступающее в конденсатор за время равное, когда напряжение на конденсаторе изменяется на. Сопоставив уравнения, нетрудно получить:

.

Для получения малых всплесков и провалов выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки необходимо индуктивность фильтра выбирать по возможности малую, а емкость большую. В этом случае в области малых нагрузок схема будет работать с прерывистыми токами. На рис. 5.1.13, в представлена диаграмма тока и напряжение на ключевом элементе (транзисторе) в прерывистом режиме. Когда ток в реакторе спадает до нуля диод выключается и на ключевом элементе напряжение становится равным разности входного и выходного напряжений, что и отражено ступенчатой формой кривой напряжения на транзисторе.

При расчете схемы с последовательным ключевым элементом, работающей в режиме с непрерывным током и регулируемой по способу ШИМ, исходными данными обычно являются средние значения напряжения регулятораи относительное значение выходного напряжения:

,

где – номинальное значение входного напряжения,– абсолютное отклонение входного напряжения.

Учитывая возможности системы управления регулятора, задаются минимальным значением времени разомкнутого состояния ключа и частотой его переключения, которые она может обеспечить. Затем определяют минимальное значение входного напряжения по формуле:

Зная относительные значения отклонений входного напряжения от номинального определяют номинальное входное напряжение:

.

Согласно выражению выбирают напряжение регулятора источника постоянного тока, например выпрямителя с транзистором, питающемся от сети с известным напряжением. Максимальное значение входного напряжения определяется по формуле:

По определяют максимальное значение времени разомкнутого состояние ключа:

и соответственно диапазон изменения скважности работы ключа регулятора напряжения.

, .

Параметры фильтра можно определить по .

Среднее значение тока через регулирующий элемент равно среднему значению тока нагрузки , а максимальное с учетом пульсации равно.

.

Рассмотрим теперь вариант схемы с параллельным ключевым элементом (рис. 5.1.14).

Рис. 5.1.14 Импульсный регулятор с параллельным ключевым элементом: а) принципиальная схема; б) диаграмма изменения магнитного потока и входного тока

Схемы подобного типа могут различаться соотношением чисел витков, определяемых отводом от обмотки реактора фильтра, с которой соединен ключевой элемент (транзистор). Соотношением чисел витков в принципе не изменяет характер процессов протекающих в схеме, но влияет на параметры, характеризующие ее работу. Предположим, что в момент транзисторвключается. Часть обмотки реактора с числом витковоказывается подключенной к источнику питания с напряжением, и в ней начинает нарастать ток регулятора. Для интервала открытого состояния транзистораVT можно написать следующее уравнение:

,

где – индуктивность части обмотки реактора с числом витков.

Согласно выражению ток изменятся линейно и за время замкнутого состояния ключа нарастает до.

,

где  – максимальный ток в обмоткев момент замыкания ключа ( в моменты замыкания и размыкания ключа входной ток изменяется скачком).

На интервале замкнутого состояния ключа происходит накопление энергии в индуктивности , а напряжение на выходе регулятора равно напряжению на конденсаторе, который разряжается на нагрузку. В момент временипроисходит размыкание ключа, в результате к обмотке, индуктивность которой равна, будет приложено напряжение равное разности входного и выходного напряжений, следовательно, для интервала разомкнутого состояния ключа можно записать:

.

В рассматриваемой схеме , поэтому выходное напряжение больше входного, следовательно, ток будет уменьшаться, и в конце интервала разомкнутого состояния ключа прион будет иметь минимальное значение:

,

где – минимальный входной ток в момент размыкания ключа.

Скачкообразное изменение входного тока в момент коммутации ключа объясняется следующими явлениями. Поскольку магнитный поток в магнитопроводе реактора скачком измениться не может, то в момент размыкания ключа должно сохраняться равенство намагничивающих сил его обмоток, то есть при:

.

Из этого выражения следует, что при выключении транзистора (размыкание ключа) ток в обмоткереактора скачком изменится и станет равным:

.

При разомкнутом состоянии ключа весь ток будет поступать в нагрузкуи конденсатор, а следовательно и энергия накопленная в индуктивностибудет предаваться в нагрузку, частично запасаясь в конденсаторе для поддержания напряжения на нём в период замкнутого состояния ключа.

Следует помнить, что в данном случае рассматриваются установившиеся процессы работы ключа, характер которых идентичен в течение каждого периода, поэтому ток в начале замкнутого состояния ключа можно выразить соотношением:

.

Диаграмма изменения входного тока (в обмотке ) представлена на рисунке 4.2.13, б). Из изложенного следует, что реактор в данной схеме выполняет две основные функции: ограничивает максимальное значение тока, потребляемого регулятором от источника тока, являясь, таким образом, входным фильтром и накапливает энергию при замкнутом состоянии ключа для последующей передачи её в нагрузку. Последнее позволяет получать на выходе регулятора более высокое напряжение, чем входное. Связь средних значений входного и выходного напряжений выражается следующим соотношением:

.

Изменяя скважность по определённому закону, можно регулировать выходное напряжение. Параметрпозволяет при проектировании регулятора согласовывать значения входного и выходного напряжений, однако при этом следует учитывать, что с уменьшением скважности растёт максимальное значение напряжения на ключевом элементе:

,

где – минимальное входное напряжение, определяющее минимальную скважность.

При проектировании регулятора, рассчитав допустимую скважность при заданном значениии значении, определяемым типом выбранного ключевого элемента, находят параметр:

.

Затем по заданному максимальному входному напряжению , определяют максимальное значение скважности, используя формулу:

Импульсные регуляторы на большие мощности разрабатываются обычно на основе тиристоров, которые выполняют функции ключевых элементов схемы.

Основным достоинством импульсных регуляторов является высокий КПД, обусловленный малыми потерями в регулируемом ключевом элементе. Следствием высокого значения КПД импульсных регуляторов является их хорошие массогабаритные показатели. В то же время наличие высокого уровня пульсации при регулировании вызывает необходимость в увеличении коэффициента сглаживания фильтров регулятора, однако последнее может быть реализовано при сравнительно небольшой установленной мощности элементов фильтра, если повысить рабочую частоту регулятора до рациональных значений для каждого конкретного случая.

studfiles.net

5.6. Импульсный регулятор с инверсией выходного напряжения.

Импульсный регулятор — инвертор напряжения показан на рисунке 5.7

Импульсный регулятор с инверсией выходного напряжения

Рис. 5.7

  1. Импульсные стабилизаторы напряжения

Выполнение функциональных узлов электронной аппаратуры систем телекоммуникаций на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах существенно снизили габариты и массу основных блоков. Питание этой аппаратуры осуществляется от сети переменного тока промышленной частоты. Использование классических методов построения источников электропитания (низкочастотный силовой трансформатор – выпрямитель со сглаживающим фильтром – линейный стабилизатор) сильно сказывается на массогабаритных показателях аппаратуры в целом. Использование линейных стабилизаторов (из-за низкого КПД) приводит к большим потерям мощности на регулирующем элементе, а это требует специальных мер по отводу выделяемого тепла, причем КПД сильно зависит от пределов изменения напряжения питающей сети.

Улучшить массогабаритные и энергетические показатели источников электропитания можно за счет увеличение рабочей частоты элементов источника питания. Габариты и вес силовых трансформаторов на частотах порядках десятков-сотен килогерц значительно меньше, чем у трансформаторов той же мощности работающих на высоких частотах имеют существенно меньше номинальные значения, а значит, и меньшие габариты и вес. Поясним это на примерах:

Для трансформатора площадь сечения сердечника определяется из выражения ,

где для катушки индуктивности значение индуктивности

,

где — реактивное сопротивление катушки, для конденсатора значение емкости:

,

где — реактивное сопротивление конденсатора.

Из приведенных выражений видно, что с ростом рабочей частоты (она стоит в знаменателе) при одних и тех же значениях реактивных сопротивлений значения индуктивности и емкости уменьшаются обратно пропорционально рабочей частоте, а это приводит к уменьшению габаритов элементов.

Использование импульсного (ключевого) режима работы регулирующих транзисторов позволяет уменьшить потери мощности в стабилизаторе и повысить КПД источника питания до . Высокое значение КПД сохраняется в широком диапазоне изменения напряжения питающей сети. Источники электропитания в которых регулирующие транзисторы работают в импульсном режиме называются импульсными источниками. Схемы импульсных источников питания сложнее, чем традиционных, но высокие показатели удельной мощностиВТ/дм2для стационарной радиоэлектронной аппаратуры (РАЭ) иВТ/кгдля РАЭ подвижных объектов предопределили их широкое применение.

    1. Структурные схемы импульсных стабилизаторов напряжения

Основным фактором, позволяющим существенно увеличит удельные показатели импульсного стабилизатора (НСН), является исключением из схемы НСН входного силового низкочастотного трансформатора, работающего на частоте 50 ГЦ. В этом случае напряжение электрической сети промышленной частоты подается непосредственно на выпрямитель с сглаживающим фильтром. Полученное постоянное напряжение с помощью преобразователя напряжения (ПН) преобразуется в импульсное напряжение прямоугольной формы высокой частоты порядка десятков – сотен килогерц. Силовой трансформатор, подключенный к выходу ПН, на таких частотах имеет малые габариты и вес. Необходимое число и величины требуемых напряжений определяются параметрами вторичных обмоток. Полученные напряжения вторичных обмоток выпрямляются высокочастотными выпрямителями и сглаживаются фильтрами. Стабилизация выходного напряжения может осуществляться либо с помощью регулируемого конвертора либо с помощью импульсного стабилизатора выполненного на базе понижающего импульсного регулятора.

На практике широкое распространение получили две структурные схемы построения импульсных стабилизаторов. Первая схема (рис 6.1) состоит из сетевого выпрямителя (СВ) и регулируемого преобразователя напряжения (ПН). В преобразователь напряжения входят конвертор (К) и устройство управления (УУ). Конвертор включает в себя инвертор (И), преобразующий постоянное напряжение от сетевого выпрямителя в переменное прямоугольной формы с паузой на нуле, трансформаторно-выпрямительный узел (ТВУ), работающий на частотах выше 20 кГц и сглаживающего высокочастотного LC–фильтра. Устройство управления УУ ПН обеспечивает мощные ключевые транзисторы инвертора импульсами управления, осуществляет стабилизацию напряжения нагрузки, изменяя коэффициент заполнения импульсов управления можно регулировать напряжение на нагрузке. Для управления инвертором используется одно- или двухканальный каскад.

Вторая структурная схема ( рис 6.2) содержит в своем составе сетевой выпрямитель (СВ), импульсный стабилизатор напряжения (ИСН), как отдельный функциональный блок на базе импульсного регулятора напряжения понижающего типа и конвертор. Конвертор состоит из нерегулируемого инвертора (И), трансформаторно выпрямительного узла (ТВУ) и сглаживающего высокочастотного фильтра (СВФ). Устройство управления (ИОН – источник опорного напряжения, СС и УО – схема сравнения и усиления ошибки, ШИМ — широтноимпульсный модулятор, ГПН – генератор пилообразного напряжения, ВК1 – выходной каскад управления ИРН, ВК» — одно или двухканальный выходной каскад управления ИРН, ВК2 – одно или двухканальный выходной каскад управления инвертором) обеспечивает подачу импульсов управления через ВК1 с коэффициентом заполнения пропорциональным требуемому напряжению на нагрузке на силовой транзистор ИРН и импульсов управления типа меандров на нерегулируемый инвертор И с ТВУ.

Функциональный узел конвертора для обеих структур может быть построен на основе двухтактного или однотактного инвертора с трансформаторным выходом (трансформаторный однотактный конвертор – ТОК).

Достоинством первой структурной схемы является совмещение функции преобразования напряжения и стабилизации напряжения на нагрузке, что позволяет упростить устройство управления.

Одним из достоинств второй структурной схемы построения импульсного стабилизатора напряжения является простота построения источника с несколькими стабилизированными выходными напряжениями при фиксированных токах нагрузки, так как целью обратной связи достаточно охватить один канал. Инвертор в данной схеме подключен к стабилизированному напряжению.

Регулируемый двухтактный конвертор.

Рисунок 6.1

Регулируемый двухтактный конвертор

Рисунок 6.2

    1. Силовые полупроводниковые элемент

Тип силовых полупроводниковых элементов (ППЭ) определяет тип полупроводникового преобразователя, а параметры силового ППЭ определяют его статистические и динамические характеристики. Силовые ППЭ в преобразователях как правило работают в ключевом режиме. Благодаря такому режиму работы потери в силовом полупроводниковом элементе очень малы в сравнении с преобразуемой мощностью. Эти потери состоят из потерь при протекании прямого тока через открытый (насыщенный) полупроводниковый элемент и потерь на переход из открытого состояния в закрытый и наоборот.

Существенный скачок в развитии преобразовательной техники произошел с появлением биполярных транзисторов с изолированной базой IGBTи мощных полевых транзисторов с изолированным затворомMOSFET.

Развитие технологии изготовления силовых полупроводниковых элементов привело к созданию модульных силовых элементов. Модули на транзисторах IGBTпоказаны на рис. 6.3.

Модули на транзисторах IGBT

Рисунок 6.3.

В настоящее время силовые IGBT– модули производятся на токи() A и напряжения коммутации ()Ви делятся на обычные и интеллектуальные. Обычные модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шестиключевом исполнении с обратными диодами быстрого восстановления.

Интеллектуальные модули помимо ключевых элементов содержат в едином корпусе так же датчики, схемы драйверов, защит и диагностики.

    1. Регулируемые двухтактные конверторы

Импульсные стабилизаторы в большинстве случаев выполняются на базе регулируемых преобразователей напряжения. Основой регулируемых преобразователей напряжения (РПН) являются двухтактные конверторы с выходными трансформаторами, выпрямительными устройствами и сглаживающими LCD– фильтрами. В регулируемых двухтактных конверторах совмещены функции преобразования постоянного напряжения в переменное и его регулирования с помощью устройства управления (УУ), основанного на принципе широтноимпульсной модуляции. Стабилизация напряжения осуществляется за счет того, что напряжение на вторичной обмотки выходного трансформатора имеет прямоугольную форму с регулируемой по длительности паузой при нулевом значении напряжения, зависящей от изменения дестабилизирующих факторов (изменение напряжения питания, тока нагрузки, температуры).

Схема двухтактного полумостового конвертора и временные диаграммы поясняющие его принцип работы показан на рис 6.4.

а) Схема двухтактного конвертора, б) форма импульсов

Рисунок 6.4.

Принцип действия полумостового двухтактного конвертора заключается в следующем: транзисторы VT1иVT2под действием импульсов управленияUy1 иUy2 имеющих форму прямоугольных импульсов длительностями с частотой коммутации поочередно переключаются. Когда транзисторVT1открыт конденсаторC1разряжается по цепи: верхняя обкладаC1, открытый транзисторVT1, первичная обмотка трансформатора, нижняя обкладкаC1. Энергия накопленная в емкостиC1 трансформируется в нагрузку. Одновременно происходит заряд емкостиC2 по цепи: +U0, открытыйVT1, первичная обмотка трансформатора, верхняя обкладкаC2, нижняя обкладка иU0. Во время паузы, когда оба транзистора закрыты энергия накапливается в дросселеL1через диодVD5сбрасывается в нагрузку. Через полпериода транзисторVT открывается на время, и процесс повторяется для емкостиC2, емкостьC1заряжается. ЕмкостиC1и C2образуют емкостной делитель (UС1= UС2= U0/2).

Мостовая схема двухтактного конвертора и ее временные диаграммы приведены на рис.6.5.

а) Мостовая схема двухтактного конвертора, б) форма импульсов

Рисунок 6.5

В мостовой двухтактной схеме конвертора, когда открыты транзисторы VT1, VT3 с длительностьюпервичная обмотка трансформатораT1(точкиаиб) подключается соответственно к +U0иU0источнику. В следующий полупериод (длительность) точкибиабудут подключены соответственно к +U0иU0. Таким образом, к трансформатору будет приложено переменное напряжение с амплитудойU0и рабочей частотойfк. Мостовые схемы конверторов используются при мощностях свыше 0,5кВт. Процесс преобразования напряжения в мостовой схеме протекает аналогично процессам в двухтактной схеме. Отличие заключается в том, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора включены два транзистора.

Напряжение на нагрузки для обеих схем

,

где — напряжение на выходе выпрямителяVDVD4, коэффициент заполнения.

В режиме стабилизации выходного напряжения необходимо задаться величиной , большие значения выбираются из расчета меньшего отклонения выпрямленного сетевым выпрямителем напряжения , меньшие значения – большего отклонения, и расчет производится в следующем порядке:

,

где — относительное отклонение напряжения питающей сети

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора для трех случаев:

где -прямое падение напряжения на диодах выпрямителя VDVD4.

Величина индуктивности дросселя выходного фильтра рассчитывается из условия непрерывного тока IL

где максимальное значение сопротивления нагрузки, — частота коммутации ПН.

Пульсация тока через дроссель

Максимальное значение тока дросселя

Емкость сглаживающего фильтра

где — коэффициент пульсации напряжения нагрузки.

Среднее значение тока через диод VD5 и обратное напряжение:

,

,

Среднее значение токов и обратное напряжение диодов VDVD4 выпрямительного моста:

Максимальный ток вторичной обмотки

Токи коллекторов силовых транзисторов преобразователя напряжения

где — коэффициент пульсации (мостовая схема , полумостова ) .

Максимальное напряжкение закрытого транзистора инвертного напряжения

Значение емкостей конденсаторов входного делителя полумостовой схемы конвертора рассчитывается из выражения

где — напряжение первичной обмотки трансформатора , — кпд преобразователя .

Значение конденсаторов емкостного делителя

studfiles.net

Сравнение линейного и импульсного регуляторов в промышленных применениях с шиной 24 В

Рич Новаковски, Роберт Тэйлор (Texas Instruments)

Линейные регуляторы применяются уже в течение нескольких десятилетий. Некоторые разработчики до сих пор используют эти компоненты 20-летней давности не только в старых проектах, но и в новых. Другие продолжают делать свои собственные «линейники» из дискретных компонентов. В самом деле, в большинстве приложений сложно придумать что-то проще, чем линейные регуляторы. Однако в маломощных устройствах со входом 24 В, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) могут возникнуть проблемы с выделением тепла, если падение напряжения будет слишком большим. К счастью, благодаря тому, что появились небольшие импульсные регуляторы с широким входом по напряжению и с высоким КПД, у разработчиков есть несколько вариантов для выбора. Сравним три различных решения для преобразователя с входом 24 В и с выходными параметрами 5 В, 100 мА: синхронный понижающий преобразователь, интегрированный линейный регулятор и линейный регулятор на дискретных компонентах. Размеры, КПД системы, температурные характеристики, отклик на импульсную нагрузку, шумы, сложность и стоимость сопоставляются, чтобы помочь разработчикам выбрать наиболее оптимальное решение, отвечающее их требованиям.

Условия сравнения

Большинство индустриальных приложений работает от 24 В и требует 5 В для питания различных нагрузок, таких как логика и маломощные микропроцессоры. Выходной ток 100 мА выбран, так как его обычно достаточно для питания логики и процессоров. Однако на решение, что же все-таки применить – импульсный или линейный регулятор влияет, в первую очередь, мощность потерь, которую необходимо рассеять. Электрические схемы сравниваемых решений представлены на рисунках 1, 2 и 3. Все решения спроектированы на идентичных печатных платах с керамическими конденсаторами 1 мкФ на входе и 4,7 мкФ на выходе. В решении на рисунке 1 применяется микросхема TPS54061 производства компании Texas Instruments. Это – синхронный понижающий преобразователь со встроенными MOSFET. Следует обратить внимание, что это решение не требует диода, но необходимо использовать дроссель, 5 конденсаторов и 4 резистора.

Рис. 1. Импульсный понижающий конвертер со встроенными MOSFET

Данная микросхема имеет внешнюю компенсацию обратной связи, которая настроена для работы с такими же конденсаторами на входе и выходе, как и у линейных регуляторов на рисунках 2 и 3. На рисунке 2 изображена электрическая схема интегрированного линейного регулятора Texas Instruments LM317. У этой микросхемы широкий вход по напряжению, максимальный выходной ток 1,5 А, и в обвязке всего два резистора и два конденсатора. Микросхема очень популярна среди разработчиков благодаря простоте. Большая разница между входным и выходным напряжениями требует низкого теплового сопротивления корпуса, поэтому был выбран корпус D2PAK (double-decawatt package).

Рис. 2. Интегрированный линейный регулятор с широкополосным входом

На рисунке 3 изображен дискретный линейный регулятор, состоящий из транзистора и стабилитрона с двумя внешними конденсаторами и четырьмя внешними резисторами. Стабилитрон на базе биполярного NPN-транзистора устанавливает уровень напряжения 5,6 В. Из-за падения напряжения «база-эмиттер» напряжение на выходе стабилизируется на уровне приблизительно 5 В. Внешние резисторы используются для того чтобы уменьшить потери на NPN-транзисторе.

Рис. 3. Дискретный линейный регулятор

В таблице 1 все три решения сравниваются по количеству компонентов обвязки и площади, занимаемой на печатной плате. Линейные решения требуют больше места на плате, чтобы лучше отводить рассеиваемую мощность. При максимальной нагрузке каждый «линейник» должен рассеивать около 2 Вт мощности. Главное правило, о котором следует помнить, заключается в том, что на площади 1 дюйм2 при рассеянии мощности 1 Вт температура возрастает на 100°С. Линейные регуляторы спроектированы таким образом, чтобы максимальный рост температуры был не более 40°С. Если на печатной плате мало места – оптимально применить синхронный понижающий импульсный преобразователь, несмотря на большое количество внешних компонентов и необходимость выбрать дроссель и рассчитать цепочку компенсации обратной связи.

Таблица 1. Сравнение решений по занимаемой площади и количеству компонентов

Тип преобразователяЗанимаемая площадь на печатной плате, дюйм²Количество компонентовСложность решения
Импульсный (понижающий) (TPS54061)0,1411Высокая
Интегрированный линейный (LM317)2,255Низкая
Дискретный линейный (стабилитрон/транзистор)2,258Средняя

Тепловые характеристики

Фотография на рисунке 4, сделанная тепловизором, отображает распределение температуры на печатной плате каждого из приведенных решений. Печатная плата спроектирована таким образом, что соседние схемы не влияют на нагрев друг друга.

Рис. 4. Выделяемое от каждой схемы тепло

Из таблицы 2 видно, что импульсный регулятор нагревается минимально, всего на 11°С. При большой разнице между входным и выходным напряжением импульсный регулятор с синхронным выпрямлением значительно превосходит по КПД линейные решения (таблица 3). Интересно отметить, что температура в рабочем режиме интегрированного линейного регулятора отличается от температуры дискретного «линейника». Из-за того, что интегрированный линейный регулятор исполнен в более крупном корпусе D2PAK, он рассеивает мощность на большей площади. Дискретное решение выполнено с использованием корпусов SOT-23 и SOT-223, которые меньше, чем D2PAK. Следовательно, у них больше тепловое сопротивление, что затрудняет отвод рассеиваемой мощности.

Таблица 2. Сравнение по тепловым характеристикам

Тип преобразователяРазница температур, °СМаксимальная температура, °СКорпус
Импульсный (понижающий)1140,73×3 мм VSON
Интегрированный линейный2756,2D2PAK
Дискретный линейный4069,1SOT-23, SOT-223

Сравнение по КПД

Температурная картина напрямую зависит от КПД каждого регулятора. На рисунке 5 изображено сравнение по КПД каждой из трех схем. Как и ожидалось, импульсный регулятор превосходит остальные регуляторы при малой и при максимальной нагрузках.

Рис. 5. КПД в зависимости от тока нагрузки

При небольших нагрузках потери переключения и ток собственного потребления становятся более явными. Это объясняет снижение КПД при небольших нагрузках. На малой нагрузке нагляднее будет посмотреть график потерь мощности (рисунок 6). При токе нагрузки 10 мА и напряжении питания 24 В разница КПД между импульсным и линейным решениями составляет 50%. Потери мощности в этой рабочей точке импульсного конвертера составляют 2,8 мВт, а потери линейного регулятора – 345 мВт. На максимальной нагрузке потери «импульсника» составляют 93 мВт, потери линейного регулятора – 2,06 Вт.

Рис. 6. Потери мощности в зависимости от тока нагрузки

В таблице 3 приводится сравнение КПД и потерь мощности для всех решений. Следует обратить внимание, что ток собственного потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у интегрированного линейного регулятора. Но интегрированное решение, в свою очередь, сочетает в себе больше различных функций, чем дискретный «линейник».

Таблица 3. Сравнение по потерям мощности и КПД

Тип преобразователя Максимальная нагрузкаБез нагрузки
КПД, % Мощность потерь, ВтТок собственного потребления, мА
Импульсный (понижающий)84,5 0,0930,5
Интегрированный линейный20,0 2,065,5
Дискретный линейный20,1 2,024

Выходные характеристики

Аналоговые цепи могут быть чувствительны к пульсациям напряжения, а цифровые процессоры – к точному значению напряжения центрального ядра. Для таких чувствительных нагрузок важно контролировать пульсации напряжения, точность выходного напряжения и максимальные отклонения напряжения при переходных процессах. Линейные регуляторы сами по себе имеют малые пульсации и используются для фильтрации шума импульсных регуляторов. Выходные пульсации напряжения линейных регуляторов обоих типов составляют не более 10 мВ. В процентном соотношении этот показатель составляет 0,2%. С другой стороны, пульсации напряжения импульсного регулятора составляют 75 мВ или 1,5% выходного напряжения. Низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора на выходе импульсного регулятора позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения, даже несмотря на характерный уровень шума на выходе. Сравнивая точность выходного напряжения импульсного регулятора и линейных регуляторов при переходе от режима холостого хода до максимальной нагрузки, получаем наилучшее значение этого параметра у «импульсника». Дальнейшее исследование параметров всех трех решений обнаруживает, что опорное напряжение в цепи обратной связи импульсного регулятора – наиболее стабильное. Дискретный линейный регулятор использует достаточно простой способ регулирования выходного напряжения, поэтому у него худшие параметры в сравнении с остальными решениями. Во многих случаях очень точное напряжение не требуется, так как, к примеру, достаточно часто напряжение 5 В конвертируется в более низкие номиналы с помощью дополнительных регуляторов. Отклик на импульсное изменение нагрузки для всех типов регуляторов изображен на рисунках 7…9.

Рис. 7. Импульсный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 8. Интегрированный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 9. Дискретный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку

Хотя импульсный регулятор имеет достаточно высокую точность выходного напряжения, отклонение этого параметра при отработке импульсной нагрузки оказывается хуже, чем у линейных решений. Отклонение выходного напряжения при скачке выходного тока 50…100 мА составляет 250 мВ или 5% от выходного напряжения. При этом для линейных решений отклонение составляет 40 мВ. На выход импульсного регулятоpa можно добавить дополнительную емкость для уменьшения отклонения напряжения. Но это, в свою очередь, повлияет на стоимость и площадь, занимаемую на печатной плате. Стоит обратить внимание, что дискретный линейный регулятор не спроектирован специально для отработки скачков выходного тока, а также не имеет защиты по максимальному току и функции отключения по превышению температуры. В таблице 4 изображены выходные характеристики каждого из рассматриваемых решений.

Таблица 4. Сравнение характеристик выходного напряжения

Тип регулятораПульсации Vout, мВОтклонение выходного напряжения при импульсной нагрузке 50…100 мАОшибка регулирования при импульсной нагрузке 0…100 мА
Импульсный752501,5
Интегрированный линейный<10400,7
Дискретный линейный<104021,8

Сравнение по стоимости

Большинство внешних компонентов, применяемых в этих схемах – резисторы и конденсаторы миниатюрного размера, стоящие менее 0,01$. Комплексная стоимость спецификации всех решений представлена в таблице 5. Стоимость рассчитана исходя из количества 10 тыс. шт. по ценам, актуальным для США на дату написания данной статьи. Легко заметить, что линейные решения стоят в несколько раз дешевле, чем импульсный регулятор. Это связано с тем, что «импульсник» требует наличия внешнего дросселя, который может стоить 0,10$, да и сама микросхема стоит намного дороже. Но, несмотря на существенную разницу в стоимости, отличные технические характеристики импульсного преобразователя могут оказаться более важными, чем высокая цена. Разница в цене между линейными решениями составляет всего 0,06$ в пользу дискретного решения. Но функции защиты, встроенные в интегрированный линейный регулятор могут оказаться ценнее небольшой экономии.

Таблица 5. Сравнение стоимости комплектующих по спецификации

Тип регулятораСтоимость спецификации при 1 тыс. шт., $
Импульсный1,80
Интегрированный линейный0,32
Дискретный линейный0,26

Заключение

Существует множество доступных разработчикам решений в области управления электропитанием. Наиболее оптимальное решение можно выбрать, только отталкиваясь от конкретной технической задачи. Решения по управлению электропитанием, которые снижают потребление энергии и уменьшают площадь, занимаемую на печатной плате, являются наиболее привлекательными на рынке на текущий момент. Синхронный понижающий импульсный преобразователь позволяет значительно улучшить КПД преобразования и уменьшить размер по сравнению с линейными решениями. Если перед разработчиком стоит задача максимально удешевить изделие – на помощь придет линейный регулятор на дискретных компонентах. Но за это придется заплатить отсутствием защитных функций, достаточно низким КПД и затратами на радиатор для хорошего теплоотвода. В таблице 6 приводится комплексное сравнение всех трех регуляторов, чтобы помочь разработчику выбрать именно то решение, которое наилучшим образом подходит для конкретной технической задачи.

Таблица 6. Характеристики регуляторов 5 В/100 мА со входом 24 В

Тип регулятораСтоимость BOM при 1 тыс. шт., $Пульсации Vout, мВКПД при максимальной нагрузкеЗанимаемое место на плате, дюйм²Сложность решения
Импульсный1,807584,50,14Высокая
Интегрированный линейный0,32<1020,02,25Низкая
Дискретный линейный0,26<1020,12,25Средняя

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

5.4.Импульсный регулятор повышающего типа

Регулятор повышающего типа изображен на рис. 5.5.

Когда транзистор Q1 открыт, L1 накапливает энергию, при этом диод D2 закрыт. При закрытом транзисторе направление тока в индуктивности L1 не меняется, диод открывается, и индуктивность отдает ток в нагрузку и на заряд емкости C1.

Регулятор напряжения повышающего типа

Рисунок 5.5

А интервале от 0 до транзистор открыт. Напряжение на индуктивности равно:

Изменение тока через индуктивность на интервале :

На интервале от T до t1 транзистор закрыт, диод открыт. Напряжение на индуктивности и ток через неё:

На основании законов коммутации: ток через дроссель L за время от 0 до t1 нарастет на величину ,а за интервал (T-t1) упадет на эту же величину Сравнивая эти изменения, можно найти регулировочную характеристику:

Где — коэффициент заполнения импульса.

Значение индуктивности выбирается по условию:

Где fp – рабочая частота коммутации, Lp – расчетное значение индуктивности, Lв – выбранное значение индуктивности.

Значение емкости фильтра:

Где — коэффициент пульсации выходного напряжения, — рабочая частота. Коэффициент полезного действия:

Ток через транзистор и диод:

Напряжения :

,

Где — максимальное напряжение на закрытом транзисторе (интервал T-t1), — обратное максимальное значение напряжение на диоде (интервал t1).

5.5. Принцип работы импульсного регулятора повышающего типа

Цель:

  1. исследование принципа работы ИРН повышающего типа.

  2. определение регулировочной характеристики.

  3. определение нагрузочной характеристики.

  4. исследование форм: тока через дроссель, напряжения на транзисторе, напряжения на нагрузке.

  5. определение КПД

приборы и элементы

четырехканальный осциллограф

функциональный генератор

вольтметр U1

амперметры U2,U3

сопротивления R1, R2, R3

конденсатор С1

источник постоянной ЭДС U1

Схема ИРН повышающего типа показана на рисунке 5.6 (файл ИРН – повышающего типа)

Схема импульсного регулятора повышающего типа

Рисунок 5.6

Исходные данные:

– сопротивление нагрузки

— сопротивление нагрузки

— сопротивление для ограничения тока заряда входной емкости транзистора

— датчик тока индуктивности

— рабочая частота переключения транзистора

— минимальный и максимальный коэффициент заполнения импульса

напряжение источника постоянной ЭДС

Максимальное значение напряжения нагрузки при ,

Ток нагрузки

Максимальный ток потребления

Значение индуктивности и емкости

Максимальное значение тока через транзистор и диод

Максимальное значение напряжения на диоде и транзисторе

По этим данным выбран IGBT транзистор IRGBC205 и виртуальный диод.

Порядок и проведение экспериментов.

Эксперимент 1. Снятие регулировочной характеристики.

а) Открыть файл «ИРН повышающего типа» или собрать схему рис 4.5. На функциональном генераторе XFG1 установить частоту 20 кГц, форму колебаний – прямоугольник, длительность цикла от20% до 80% (показания соответствуют до, амплитуду 20 Vp, offset 10 V(постоянная составляющая). Изменяя значение длительности цикла(Daty Cycle) от 20% до 90% с шагом 10% занесите показания вольтметра V1(Vн) в таблицу. По полученным данным пост

роите регулировочную характеристику сравните ее с теоретической и сделайте выводы.

б)Закодируйте показания осциллографа:

первая кривая – форма напряжения на транзисторе;

вторая кривая – форма напряжения пульсации на нагрузке;

третья кривая – форма тока через дроссель.

Этот эксперимент проделайте для до. С помощью визиров определите параметры импульсов напряжения на транзисторе, напряжение пульсации на выходе регуляторе, изменение тока через индуктивность и его величину:

, рассчитайте коэффициент пульсации

Изменение тока через индуктивность(третья кривая)

, величина тока через индуктивность или потребляемый ток

Сделайте выводы по поводу различий.

studfiles.net

Устройство, принцип работы импульсного стабилизатора напряжения

Для нормального функционирования бытовой техники требуется стабильное напряжение. Как правило, в сети могут происходить различные сбои. Напряжение от 220 В может отклоняться, и в устройстве происходят сбои. В первую очередь под удар попадают лампы. Если рассматривать бытовую технику в доме, то могут пострадать телевизоры, аудиоаппаратура и прочие приборы, которые работают от электросети.

В данной ситуации на помощь людям приходит импульсный стабилизатор напряжения. Он в полной мере способен справиться со скачками, которые возникают ежедневно. Многих при этом волнует вопрос о том, как появляются перепады напряжения, и с чем они связаны. Зависят они главным образом от загруженности трансформатора. На сегодняшний день количество электроприборов в жилых домах все время увеличивается. Как результат, потребности в электричестве непременно растут.

Также следует учитывать, что к жилому дому могут быть проложены кабели, которые уже давно устарели. В свою очередь, квартирная проводка в большинстве случаев не рассчитана на большие нагрузки. Чтобы обезопасить свою технику в доме, следует более подробно ознакомиться с устройством стабилизаторов напряжения, а также принципом их работы.

Какие функции выполняет стабилизатор?

Главным образом импульсный стабилизатор напряжения служит контролером сети. Все скачки при этом отслеживаются им и устраняются. В результате техника получает стабильное напряжение. Электромагнитные помехи стабилизатором также учитываются, и на работу устройств не способны повлиять. Таким образом, сеть избавляется от перегрузок, и случаи коротких замыканий практически исключаются.

Устройство простого стабилизатора

Если рассматривать стандартный импульсный стабилизатор тока напряжения, то в нем устанавливается только один транзистор. Как правило, их используют исключительно коммутирующего типа, поскольку на сегодняшний день они считаются более эффективными. В результате коэффициент полезного действия устройства можно сильно поднять.

Вторым важным элементом импульсного стабилизатора напряжения следует назвать диоды. В обычной схеме их можно встретить не больше трех единиц. Соединяются они друг с другом с помощью дросселя. Для нормальной работы транзисторов важными являются фильтры. Устанавливаются они в начале, а также конце цепочки. При этом блок регулирования отвечает за работу конденсатора. Его неотъемлемой частью принято считать резисторный делитель.

Как это работает?

В зависимости от типа устройства, принцип действия импульсного стабилизатора напряжения может отличаться. Рассматривая стандартную модель, можно сказать, что сначала ток подается на транзистор. На данном этапе происходит его преобразование. Далее в работу включаются диоды, в обязанности которых входит передача сигнала на конденсатор. При помощи фильтров, электромагнитные помехи отсеиваются. Конденсатор в этот момент сглаживает колебания напряжения и по дросселю ток через резистивный делитель вновь возвращается к транзисторам для преобразования.

Самодельные устройства

Сделать импульсный стабилизатор напряжения своими руками можно, но они будут иметь малую мощность. При этом резисторы устанавливаются самые обычные. Если использовать в приборе более одного транзистора, можно добиться высокого коэффициента полезного действия. Важным заданием в этом плане является установка фильтров. Именно они влияют на чувствительность прибора. В свою очередь, габариты устройства совсем не важны.

Стабилизаторы с одним транзистором

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения данного типа способен похвастаться коэффициентом полезного действия на уровне 80 %. Как правило, он функционируют только в одном режиме и может справляться только с малыми помехами в сети.

Обратная связь в данном случае полностью отсутствует. Транзистор в стандартной схеме импульсного стабилизатора напряжения функционирует без коллектора. В результате на конденсатор сразу подается большое напряжение. Еще одной отличительной чертой приборов данного типа можно назвать слабый сигнал. Решить эту проблему смогут различные усилители.

В результате можно добиться лучшей работоспособности транзисторов. Резистор устройства в цепи в обязательном порядке должен находиться за делителем напряжения. В данном случае можно будет добиться более качественной работы устройства. В качестве регулировщика в цепи импульсный стабилизатор постоянного напряжения имеет блок контроля. Данный элемент способен ослаблять, а также повышать мощность транзистора. Происходит это явление при помощи дросселей, которые соединены с диодами в системе. Нагрузка на регулятор контролируется через фильтры.

Стабилизаторы напряжения ключевого типа

Такого рода импульсный стабилизатор напряжения 12В коэффициент полезного действия имеет на уровне 60 %. Основной проблемой является то, что он не способен справляться с электромагнитными помехами. В данном случае приборы с мощностью более 10 Вт находятся в зоне риска. Современные модели данных стабилизаторов способны похвастаться предельным напряжением в 12 В. Нагрузка на резисторы при этом значительно ослабевает. Таким образом, на пути к конденсатору напряжение удается полностью преобразовать. Непосредственно генерация частоты тока происходит на выходе. Износ конденсатора в данном случае минимален.

Еще одна проблема связна с использованием простых конденсаторов. На деле они показали себя довольно плохо. Вся проблема заключается именно в высокочастотных выбросах, которые происходят в сети. Чтобы решить эту задачу, производители начали устанавливать на импульсный стабилизатор напряжения (12 вольт) конденсаторы электролитического типа. В результате качество работы удалось улучшить за счет увеличения емкости устройства.

Как работают фильтры?

Принцип работы стандартного фильтра построен на генерации сигнала, который поступает на преобразователь. При этом дополнительно задействуется устройство сравнения. Для того чтобы справиться с большими колебаниями в сети, фильтру необходимы блоки контроля. При этом выходное напряжение можно будет сгладить.

Чтобы решить проблемы с мелкими колебаниями, в фильтре имеется специальный разностный элемент. С его помощью напряжение проходит с предельной частотой не более 5 Гц. В данном случае это положительно влияет на сигнал, который имеется на выходе в системе.

Модифицированные модели устройств

Максимальный ток нагрузки у данного типа воспринимается до 4 А. Входное напряжение конденсатором способно обрабатываться до отметки не более 15 В. Параметр входного тока у них обычно не превышает 5 А. Пульсация в данном случае допускается минимальная с амплитудой в сети не более 50 мВ. Частоту при этом можно поддерживать на уровне 4 Гц. Все это в конечном счете благоприятно отразится на общем коэффициенте полезного действия.

Современные модели стабилизаторов вышеуказанного типа справляются с нагрузкой в районе 3 А. Еще одной отличительной чертой данной модификации можно назвать быстрый процесс преобразования. Во многом это связано с использованием мощных транзисторов, которые работают со сквозным током. В результате открывается возможность стабилизировать выходной сигнал. На выходе дополнительно задействуется диод коммутирующего типа. Устанавливается он в системе вблизи узла напряжения. Потери при нагревании значительно уменьшаются, и это является явным преимуществом стабилизаторов данного типа.

Широтно-импульсные модели

Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения данного типа коэффициент полезного действия имеет на уровне 80 %. Номинальный ток он способен выдержать на уровне 2 А. Параметр входного напряжения в среднем составляет 15 В. Таким образом, пульсация выходного тока довольно низкая. Отличительной особенностью данных приборов можно назвать способность работы в режиме замыкания. В результате есть возможность выдерживать нагрузки до 4 А. В данном случае короткие замыкания происходят крайне редко.

Из недостатков следует отметить дроссели, которым приходится справляться с напряжением от конденсаторов. В конечном счете это приводит к быстрому износу резисторов. Чтобы справиться с этой проблемой, ученые предлагают использовать их большое количество. Конденсаторы в сети при этом обязаны контролировать рабочую частоту прибора. В таком случае открывается возможность исключить колебательный процесс, в результате которого эффективность стабилизатора резко снижается.

Сопротивление в цепи также должно быть учтено. С этой целью ученые устанавливают специальные резисторы. В свою очередь, диоды способны помочь с резкими переходами в цепи. Режим стабилизации включается только при предельном токе устройства. Чтобы решить проблему с транзисторами, некоторые используют механизмы теплоотвода. В таком случае размеры прибора значительно увеличатся. Дроссели для системы следует использовать многоканальные. Провода с этой целью обычно берут серии «ПЭВ». Помещаются они первоначально в магнитопривод, который изготовлен чашечного типа. Дополнительно в нем имеется такой элемент, как феррит. Между ними должен в конечном счете образоваться зазор не более 0.5 мм.

Стабилизаторы для бытового использования больше всего подходят серии «ВД4». Ток нагрузки они способны выдерживать значительный за счет пропорционального изменения сопротивления. В это время резистор будет справляться с малым переменным током. Входное напряжение устройства целесообразно пропускать через фильтры серии ЛС.

Как стабилизатор справляется с малыми пульсациями?

В первую очередь импульсный стабилизатор напряжения 5В задействуется узел запуска, который соединен с конденсатором. Источник опорного тока при этом должен посылать сигнал на устройство сравнения. Чтобы решить проблему с преобразованием, в работу включается усилитель постоянного тока. Таким образом, можно сразу вычислить максимальную амплитуду скачков.

Далее через индуктивный накопитель ток проходит до коммутирующего диода. Чтобы входное напряжение было стабильным, имеется фильтр на выходе. Предельная частота при этом может значительно изменяться. Нагрузка транзистором максимум способна выдерживаться до 14 кГц. Катушка индуктивности отвечает за напряжение в обмотке. Благодаря ферриту ток можно стабилизировать на первоначальном этапе.

Отличие стабилизаторов повышающего типа

Импульсный повышающий стабилизатор напряжения отличается мощными конденсаторами. Во время обратной связи они принимают всю нагрузку на себя. В сети при этом должна быть расположена гальваническая развязка. Отвечает она только за повышение предельной частоты в системе.

Дополнительно важным элементом можно назвать затвор, который находится за транзистором. Ток он получает от источника питания. На выходе процесс преобразования происходит от дросселя. На данном этапе в конденсаторе образуется электромагнитное поле. В транзисторе, таким образом, получается опирающее напряжение. Процесс самоиндукции начинается последовательно.

Диоды на этом этапе не задействуются. Первым делом дроссель отдает напряжение на конденсатор, и далее транзистор направляет его на фильтр и также снова на дроссель. В результате образуется обратная связь. Происходит она до тех пор, пока не стабилизируется напряжение на блоке контроля. В этом ему помогут установленные диоды, которые получают сигнал от транзисторов, а также конденсатора стабилизатора.

Принцип действия инвертирующих приборов

Весь процесс инвертирования связан с активацией преобразователя. Импульсный стабилизатор переменного напряжения транзисторы имеет закрытого типа серии «ВТ». Еще одним элементом системы можно назвать резистор, который следит за колебательным процессом. Непосредственно индукция заключается в снижении предельной частоты. На входе она имеется на уровне 3 Гц. После преобразовательных процессов транзистор посылает сигнал на конденсатор. В конечно счете предельная частота способна увеличиться вдвое. Для того чтобы скачки стали менее заметны, необходим мощный преобразователь.

Сопротивление в колебательном процессе также учитывается. Данный параметр максимум допускается на уровне 10 Ом. В противном случае диоды на транзистор сигнал будут не способны передавать. Еще одна проблема кроется в магнитных помехах, которые имеются на выходе. Для того чтобы установить множество фильтров, применяют дроссели серии «НМ». Нагрузка на транзисторы напрямую зависит от загруженности конденсатора. На выходе задействуется магнитопривод, который помогает стабилизатору понизить сопротивление до нужной отметки.

Как устроены понижающие стабилизаторы?

Импульсный понижающий стабилизатор напряжения обычно оснащается конденсаторами серии «КЛ». В этом случае они способны значительно помочь с внутренним сопротивлением устройства. Источники питания при этом воспринимаются самые разнообразные. В среднем параметр сопротивления колеблется в районе 2 Ом. За показателем рабочей частоты следят резисторы, которые соединяются с блоком контроля, посылающим сигнал на преобразователь.

Частично нагрузка при этом уходит за счет процесса самоиндукции. Возникает она первоначально в конденсаторе. Благодаря процессу обратной связи предельная частота в некоторых моделях способна достигнуть 3 Гц. В данном случае электромагнитное поле на электрическую цепь никакого влияния не оказывает.

Источники питания

Как правило, в сети используются источники питания 220 В. В таком случае от импульсного стабилизатора напряжения можно ждать высокого коэффициента полезного действия. Для преобразования постоянного тока учитывается количество транзисторов в системе. Сетевые трансформаторы в источниках питания используются редко. Во многом это связано с большими скачками. Однако вместо них часто устанавливают выпрямители. В источнике питания он имеет свою систему фильтрации, которая стабилизирует предельное напряжение.

Зачем устанавливать компенсаторы?

Компенсаторы в большинстве случаев играют в стабилизаторе второстепенную роль. Связана она с регулировкой импульсов. Главным образом с этим справляются транзисторы. Однако свои преимущества у компенсаторов все же имеются. В данном случае многое зависит от того, какие приборы подключены к источнику питания.

Если говорить о радиооборудовании, то тут необходим особый подход. Связан он с различными колебаниями, которые воспринимаются таким прибором иначе. В этом случае компенсаторы способны помочь транзисторам в стабилизации напряжения. Установка дополнительных фильтров в цепи, как правило, ситуацию не улучшает. При этом они сильно влияют на коэффициент полезного действия.

Недостатки гальванических развязок

Гальванические развязки устанавливаются для передачи сигнала между важными элементами системы. Основной их проблемой можно назвать неверную оценку входного напряжения. Происходит это чаще всего с устаревшими моделями стабилизаторов. Контроллеры в них не способны быстро обрабатывать информацию и подключать в работу конденсаторы. В результаты диоды страдают в первую очередь. Если система фильтрации устанавливается за резисторами в электрической цепи, то они просто сгорают.

fb.ru