Импульсные регуляторы напряжения. Импульсные регуляторы понижающего типа
Импульсные регуляторы напряжения
Преобразователи постоянного напряжения
К преобразователям постоянного напряжения относятся импульсные регуляторы напряжения и широтно-импульсные преобразователи.
Импульсные регуляторы напряжения применяются для регулирования постоянного напряжения. По сравнению с другими методами регулирования они обеспечивают лучшие энергетические характеристики, имеют меньшую массу и габариты.
Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой частотой. Длительность интервала подключения t u за один период T определяет величину напряжения на нагрузке. Нагрузке (если она активная) придаётся индуктивный характер с помощью дросселя L . Параметры цепи выбирают таким образом, чтобы постоянная времени цепи нагрузки значительно превышала период коммутации тока. При этом в цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией.
Схема импульсного регулятора понижающего типа приведена на рис. 3.1 (a), временные диаграммы работы этой схемы – на рис. 3.1 (б).
При включённом транзисторе VT ток дросселя нарастает практически по линейному закону от I min до I max . Напряжение на дросселе при этом равно:
а на нагрузке
при условии, что .
При выключенном транзисторе ток дросселя уменьшается от I max до I min , при этом напряжение на дросселе обеспечивает значение напряжения на нагрузке:
().
.
Следовательно, изменяя коэффициент заполнения управляющих импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке в пределах 0…E П .
С учётом падений напряжения на транзисторе и диоде реальное максимальное напряжение составляет (0.9 … 0.95)E П .
Если нагрузка имеет индуктивный характер (например, двигатель постоянного тока), то требуемое значение пульсаций тока достигается за счёт выбора частоты коммутации транзистора VT . Абсолютная величина равна:
,
и максимальное значение достигается при К З = 0.5 . С учётом этого требуемое значение частоты коммутации для обеспечения требуемого коэффициента пульсации тока равно:
.
При активном характере сопротивления нагрузки в цепь включается дроссель с индуктивностью L , который определяет пульсации тока в нагрузке. Для уменьшения индуктивности дросселя параллельно нагрузке включается конденсатор. Для обеспечения непрерывного характера тока дросселя величина должна удовлетворять условию:
При наличии конденсатора переменная составляющая тока дросселя (треугольная по форме) замыкается через конденсатор. Падение напряжения на конденсаторе, обусловленное током первой гармоники, определяет пульсации напряжения на нагрузке:
Для треугольной формы тока амплитуда первой гармоники максимальна при К З = 0.5 и составляет (согласно разложению в ряд Фурье):
.
Следовательно,
;
При использовании в качестве коммутирующего элемента мощных полевых транзисторов MOSFET и IGBT частота коммутации может составлять десятки – сотни килогерц.
При использовании тиристоров частота коммутации не превышает нескольких килогерц. Схема импульсного регулятора на незапираемом тиристоре с принудительной коммутацией приведена на рис. 3.2.
Для запирания основного тиристора VS1 используются вспомогательный тиристор VS2 и коммутирующий конденсатор С . Предварительно конденсатор С заряжается по цепи VS2 – R – Lн до напряжения питания. После включения VS1 конденсатор перезаряжается по цепи VS1 – VD1 – Lк – С , причём переходной процесс носит колебательный характер. Наличие диода VD1 приводит к тому, что в цепи протекает только первый положительный полупериод тока конденсатора, после чего напряжение на конденсаторе не изменяется. Для выключения тиристора VS1 включается тиристор VS2 и конденсатор С разряжаясь по цепи VS2 , VS1 выключает, приложенным в обратном направлении напряжением, тиристор VS1 . При этом напряжение на нагрузке скачком увеличится до значения E+Uc . Ток нагрузки на интервале коммутации остаётся неизменным, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Когда конденсатор С разрядится до нуля, на аноде тиристора VS1 вновь нарастает прямое напряжение со скоростью . Для надёжного запирания тиристора VS1 время разряда конденсатора должно быть больше времени выключения тиристора.
Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора С через тиристор VS2 . Когда ток тиристора VS2 уменьшится до нуля, он выключится. Ток нагрузки замыкается по цепи диода VD 0 .
Наличие “всплесков” напряжения на нагрузке требует выбирать полупроводниковые приборы на двойное напряжение питания. Кроме того, диапазон регулирования напряжения уменьшается, так как при малых коэффициентах заполнения эти “всплески” не позволяют снизить напряжение меньше определённого уровня.
В схеме импульсного регулятора с мягкой коммутацией основной тиристор VS1 шунтируется в обратном направлении диодом VD2 (рис. 3.3).
Процесс перезаряда конденсатора С происходит так же, как и в предыдущей схеме. После включения тиристора VS2 в цепи C – Lк – VS2 – VS1 – C возникает колебательный переходной процесс перезаряда конденсатора. Когда мгновенное значение разрядного тока конденсатора равно мгновенному току нагрузки, тиристор VS1 обесточивается и далее разность токов конденсатора и нагрузки замыкается по диоду VD2 . К основному тиристору VS1 приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде VD2 . Ток через VD2 должен протекать в течение времени, достаточного для выключения основного тиристора VS1 . Когда ток конденсатора станет меньше тока нагрузки происходит дополнительный заряд конденсатора током нагрузки, и напряжение на нагрузке уменьшается по линейному закону, на этом интервале разностный ток нагрузки и конденсатора замыкается через диод VD 0 . Мгновенное значение напряжения на нагрузке не превышает величину Е .
Включение параллельно основному тиристору обратного диода позволяет отдавать мощность нагрузки в источник электропитания. Такой режим возможен при переходе двигателя постоянного тока в генераторный режим (режим динамического торможения). Вместе с тем, за счёт низкого обратного напряжения, приложенного к основному тиристору, увеличивается время выключения тиристора.
Схема импульсного регулятора, позволяющего регулировать напряжение на нагрузке от E П и выше, приведена на рис. 3.4.
Повышение напряжения на нагрузке осуществляется за счёт энергии дросселя, включённого последовательно в цепь нагрузки. При включенном транзисторе VT дроссель подключается к источнику постоянного напряжения, ток дросселя линейно нарастает от I min до I max . Напряжение на дросселе практически равно E П .
Закрытый диод разделает схему на два участка. Ранее заряженный конденсатор С разряжается на нагрузку, обеспечивая непрерывность тока нагрузки.
При закрытом транзисторе ток дросселя замыкается через открывшийся диод уменьшается от I max до I min . Напряжение на дросселе меняет полярность и по отношению к нагрузке включено последовательно согласно с источником питания:
,
(),
где 
.
Из равенства нулю среднего значения напряжения на дросселе следует:
Регулировочная характеристика (рис. 3.5) повышающего импульсного регулятора нелинейная, причём её вид зависит от соотношения сопротивлений элементов схемы (транзистора, диода, дросселя) и сопротивления нагрузки. При увеличении этого соотношения максимум напряжения уменьшается и устойчивая работа регулятора возможна до определённой величины коэффициента заполнения управляющих импульсов.
Среднее значение тока диода равно току нагрузки:
Среднее значение тока дросселя, а, следовательно, и источника постоянного напряжения равно:
.
Среднее значение тока транзистора равна:
.
Все полупроводниковые приборы должны быть выбраны на напряжение не меньше, чем максимальное значение напряжения на нагрузке.
Импульсные регуляторы для двигателей постоянного тока кроме регулирования величины напряжения, подаваемого на двигатель, должны выполнять ещё функции реверсирования (изменения полярности выходного напряжения) и динамического торможения (возврат энергии в источник постоянного напряжения при переходе двигателя в генераторный режим). Эти функции выполняются с помощью преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсным управлением.
Преобразователь представляет собой мостовую схему на полностью управляемых ключах, которые зашунтированы обратными диодами (рис. 3.6).
Обратные диоды используются для возврата энергии в источник, поэтому если источник постоянного напряжения не обладает двусторонней проводимостью (например, выпрямитель), то выход источника необходимо зашунтировать конденсатором С соответствующей ёмкости.
Основные параметры преобразователя определяются алгоритмом управления ключами. Различают три способа управления ключами:
Симметричный;
Несимметричный;
Поочерёдный.
При симметричном управлении ключи коммутируются попарно в противофазе. При включении ключей К1 и К4 напряжение на двигателе равно E П и имеет положительную полярность; при включении К2 и К3 напряжение на двигателе меняет полярность, оставаясь таким же по величине. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется с учётом напряжений обеих полярностей (рис. 3.7 (а)).
Величина напряжения определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов: для одной пары ключей (К1 и К4 ) равен K З , а для другой (К2 и К3 ) – 1-K З :
.
В интервале изменения K З от 0 до 0.5 напряжение на нагрузке изменяется от -E П до 0, а в интервале от 0.5 до 1 – от 0 до E П .
Форма тока нагрузки имеет такой же характер, как и в импульсных регуляторах: при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки линейно нарастает от I min до I max , когда К1 и К4 закрыты, то ток нагрузки, определяемый индуктивностью нагрузки, через диоды VD2 и VD3 возвращает в источник энергию, запасённую в индуктивности, и уменьшается от I max до I min .
При работе нагрузки (двигатель постоянного тока) в генераторном режиме, когда э.д.с. якоря E Я больше Е П , ток нагрузки меняет своё направление и при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, при этом ток уменьшается от -I max до -I min , а при включенных ключах К2 и К3 ток нагрузки увеличивается от -I min до -I max , запасая энергию в индуктивности нагрузки. При изменении коэффициента заполнения управляющих импульсов изменяется величина энергии, возвращаемой в источник.
Симметричный способ управления характеризуется повышенными пульсациями тока нагрузки вследствие изменения напряжения на нагрузке от -E П до +E П , и непропорциональной зависимостью напряжения на нагрузке от коэффициента заполнения.
При несимметричном методе управления для положительной полярности напряжения на нагрузке ключи К1 и К2 управляются в противофазе, ключ К4 постоянно открыт, а К3 – постоянно закрыт. Для отрицательной полярности напряжения – наоборот: К3 и К4 управляются в противофазе, К2 – открыт, К1 – закрыт. Далее рассматривается работа преобразователя при положительной полярности напряжения на нагрузке (рис 3.7 (б)).
При открытом ключе К1 ток нагрузки увеличивается от I min до I max , напряжение на нагрузке равно +E П . Когда К1 закрывается, ток нагрузки замыкается через К4 и VD2 , уменьшаясь от I max до I min , при этом напряжение на нагрузке практически равно нулю. Коэффициент заполнения управляющих импульсов может изменяться от 0 до 1, при этом напряжение на нагрузке меняется от 0 до +E П :
При работе нагрузки в генераторном режиме при открытом К1 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, а при открытом К2 ток нагрузки замыкается через К2 и VD4 , накапливая энергию в индуктивности нагрузки.
При недостаточно высокой граничной частоте коммутации ключей увеличить частоту пульсаций тока в нагрузке в два раза позволяет поочерёдный способ управления ключами. Если нет необходимости осуществлять режим возврата энергии в источник, то управляющее напряжение подаётся только на ключи одной диагонали: для положительного напряжения на К1 и К4 , для отрицательного – на К2 и К3 .
Форма управляющего напряжения показана на рис. 3.8 (а).
Длительность импульса изменяется в пределах от до , а паузы управляющих напряжений сдвинуты на половину периода . Напряжение на нагрузке равно напряжению питания, когда оба ключа открыты, и равно нулю, когда один из ключей закрыт. Ток нагрузки при этом замыкается через другой открытый ключ и соответствующий обратный диод. Такая ситуация возникает два раза за период управляющего напряжения, поэтому частота пульсаций напряжения и тока в нагрузке в два раза выше. Изменение длительности управляющих импульсов от до соответствует изменению коэффициента заполнения импульсов напряжения на нагрузке от 0 до 1.
Если управлять ключом К2 в противофазе с ключом К1, а ключом К3 в противофазе с ключом К4, то преобразователь может работать в режиме возврата энергии в источник при работе двигателя постоянного тока в генераторном режиме (рис. 3.8 (б)).
Схема очень простого мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения с высоким КПД
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “
Сегодня мы с вами рассмотрим схему мощного импульсного регулируемого стабилизатора напряжения . Данная схема может применяться как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением, так и в блоках питания с регулируемым выходным напряжением. Хотя схема очень проста, но она обладает достаточно хорошими характеристиками и доступна для повторения радиолюбителями с любой начальной подготовкой.
Основой данного стабилизатора является специализированная микросхема LM-2596T-ADJ , которая как-раз и предназначена для построения импульсных стабилизаторов регулируемого напряжения. Микросхема имеет встроенную защиту по выходному току и тепловую защиту. Кроме того в схеме имеется диод D1 – диод Шоттки типа 1N5822 и дроссель заводского изготовления (в принципе, его можно изготовить самостоятельно) индуктивностью 120 микрогенри. Конденсаторы С1 и С2 – на рабочее напряжение не ниже 50 вольт, резистор R1 мощностью 0,25 ватт.
Для получения регулируемого напряжения на выходе, необходимо к контактам 1 и 2 подключить переменный резистор (с как можно меньшей длиной проводов подключения). Если необходимо на выходе получить фиксированное напряжение, то вместо переменного резистора устанавливается постоянный, номинал которого подбирается опытным путем.
Кроме того, в серии LM-2596 есть фиксированные стабилизаторы на напряжение 3,3 В, 5В и 12 В схема подключения которых еще проще (можно просмотреть в даташите).
Технические характеристики:
Как видите характеристики для применения этой схемы в блоке питания довольно приличны (по даташиту выходное напряжение регулируется в пределах 1,2-37 вольт). Эффективность стабилизатора при входном напряжение 12 вольт, выходном – 3 вольта и токе нагрузки 3 ампера – составляет 73%. При изготовлении данного стабилизатора нельзя забывать, что чем больше входное напряжение и меньше выходное – допустимый ток нагрузки будет уменьшаться, поэтому данный стабилизатор необходимо установить на радиатор с площадью не менее 100 кв.см. Если схема будет работать при небольших токах нагрузки, то радиатор ставить необязательно.
Ниже приводятся внешний вид основных деталей, их примерная стоимость в интернет-магазинах и расположение деталей на плате.
Исходя из схемы расположения деталей, самостоятельное изготовление печатной платы не представляет трудностей.
Данная схема может работать в режиме стабилизации выходного тока, что позволяет применять ее для заряда аккумуляторных батарей, питания мощного или группы мощных светодиодов и т.п.
Для включения схемы в режим стабилизации тока, необходимо параллельно резистору R1 установить резистор, номинал которого определяется по формуле: R=1,23/I
Себестоимость данной схемы составляет приблизительно 300 рублей, что как минимум на 100 рублей дешевле покупки готового изделия.
Транскрипт
1 95 Лекция 0 ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План. Введение. Понижающие импульсные регуляторы 3. Повышающие импульсные регуляторы 4. Инвертирующий импульсный регулятор 5. Потери и КПД импульсных регуляторов 6. Выводы. Введение Источники вторичного электропитания, построенные по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор) просты в исполнении, имеют низкий уровень электромагнитного излучения. Однако они рассеивают значительную мощность, имеют большие массу и габариты. Большие габариты таких источников обусловлены тем, что питающее напряжение имеет низкую частоту 50 Гц. Это приводит к необходимости применения трансформаторов с большим сечением магнитопровода и использованию конденсаторов большой емкости в сглаживающих фильтрах. Эти недостатки характерны и для линейных стабилизаторов, рассмотренных в ходе предыдущей лекции. В частности, коэффициент полезного действия таких стабилизаторов часто не превышает 50%. Малые значения КПД линейных стабилизаторов обусловлены в первую очередь тем, что мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, оказывается достаточно большой, особенно при стабилизации малых напряжений. Значительно больший КПД обеспечивают схемы, в которых регулирующим элементом является коммутатор (ключ), который с определенным периодом повторения Т переключается из замкнутого состояния в разомкнутое и обратно. В качестве коммутаторов используют биполярные или МОП-транзисторы. Отношение времени открытого (замкнутого) состояния ключа к периоду повторения Т может регулироваться. Меняя это отношение, мы можем в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Такой способ регулирования называют широтно-импульсным (широтно-импульсная модуляция ШИМ). Последовательно с коммутатором включается фильтр нижних частот, сглаживающий пульсации выходного напряжения до допустимой величины. Такие схемы называют импульсными регуляторами.
2 96 Основными компонентами импульсных источников питания являются дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы. Все перечисленные компоненты имеют малые потери, в идеале равные нулю. Если сопротивление ключа в замкнутом состоянии мало, то КПД импульсного источника может достигать 90% и более. Потери энергии в транзисторе, используемом в качестве коммутатора, происходят в основном на интервале переключения и определяются длительностью этого интервала. Поэтому чем лучше частотные свойства транзистора, тем выше КПД импульсного регулятора. Перечислим основные достоинства импульсных ИВЭП.. Высокий коэффициент полезного действия.. Малые масса и габариты. 3. Возможность получения выходного напряжения, превышающего входное (повышающие регуляторы). Импульсные источники вторичного электропитания позволили перейти от преобразования электрической энергии на низких частотах к работе на частотах в десятки и сотни килогерц. Это дало возможность значительно уменьшить размеры и массу трансформаторов и сглаживающих фильтров. Появление мощных высоковольтных транзисторов и материалов с малыми потерями для магнитопроводов высокочастотных трансформаторов дало возможность создания импульсных источников с бестрансформаторным входом. При выходной мощности 00 Вт такие источники могут иметь удельную мощность, превосходящую 00 Вт/дм, тогда как для традиционных ИВЭП этот показатель не превышает 0 Вт/дм. Укажем основные недостатки импульсных источников.. Напряжения и токи имеют импульсный характер. Это может привести к появлению высокочастотных помех в нагрузке и внешней сети. Для снижения уровня помех необходимо применение сглаживающих фильтров, тщательное экранирование и т.д.. Импульсный регулятор и схема управления коммутатором образуют систему с обратной связью. Необходимы специальные меры по обеспечению устойчивости регулятора. 3. Импульсные источники питания, в том числе и импульсные регуляторы, более дорогостоящи и требуют большего времени на разработку Схемы импульсных источников питания отличаются большим разнообразием принципов построения. Мы посвятим рассмотрению таких источников несколько лекций. Рассмотрим сначала основные схемы импульсных регуляторов.
3 97. Понижающий импульсный регулятор Схема понижающего регулятора показана на рис. 0.. Рис. 0. Регулирующим элементом является коммутатор, показанный на схеме в виде ключа. Дроссель и конденсатор C образуют сглаживающий фильтр. Частота переключений коммутатора должна быть большой для того, чтобы обеспечить малые пульсации выходного напряжения. Она может достигать сотен килогерц и единиц мегагерц. Увеличение частоты переключений позволяет значительно уменьшить массу и габариты сглаживающего фильтра. Рассмотрим электромагнитные процессы в схеме на рис. 0., которые происходят на интервале Т. Когда ключ замкнут, ток дросселя растет, и происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя. Когда ключ разомкнут, ток дросселя замыкается через открытый диод VD. Энергия, накопленная в магнитном поле дросселя, расходуется на поддержание неизменного выходного напряжения. Рассмотрим, как изменяется ток дросселя в течение интервала переключения коммутатора Т. Будем считать, что емкость сглаживающего конденсатора очень велика, так что выходное напряжение постоянно. Режим работы схемы зависит от состояния ключа. Обозначим t и время, в течение которого ключ замкнут. Рассмотрим следующие интервалы времени.. Интервал 0 tи. Ключ замкнут. К диоду приложено обратное напряжение, и он закрыт. Приращение тока на этом интервале вх вых = t и i.. Интервал t и T. Ключ разомкнут. Диод открыт, и ток дросселя замыкается через диод и сопротивление нагрузки R н. Приращение тока (T t) вых и i =. Временные диаграммы напряжений и токов импульсного регулятора показаны на рис. 0..
4 98 Рис. 0. Поскольку коммутация происходит периодически, суммарное изменение тока на интервале времени T равно нулю: i = i T вх и вых + i = = Из этого соотношения следует, что выходное напряжение t 0.
5
99 t вых = и вх = D вх. (0.) T t Здесь D = и коэффициент заполнения импульсов. T Равенство (0.) называют регулировочной характеристикой импульсного регулятора. Таким образом, выходное напряжение импульсного регулятора пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора. Поскольку D <, выходное напряжение всегда меньше входного. Поэтому такой регулятор называют понижающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульсов D. Такой процесс управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Она широко применяется не только в импульсных источниках питания, но и в других устройствах. Формула (0.) справедлива, если ток i (t) на интервале 0 T не обращается в нуль. Такой режим называют режимом непрерывного тока. Если ток дросселя в течение какого-либо промежутка времени на интервале 0 T обращается в нуль, то имеет место режим прерывистого тока. Поскольку емкость конденсатора конечна, выходное напряжение будет пульсирующим. Определим, как влияют на амплитуду пульсаций значения индуктивности и емкости сглаживающего фильтра. При оценке величины пульсаций выходного напряжения для упрощения анализа примем, что индуктивность дросселя; ток дросселя при этом имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 0.3). Среднее значение тока () I ср = D I. Рис. 0.3 Если емкость конденсатора достаточно велика, его сопротивление на частоте первой и высших гармоник значительно меньше сопротивления нагрузки: ωc 6
00 При этом можно считать, что переменная составляющая тока замыкается через конденсатор. Приближенные формы кривых напряжения u С (t) и тока i С (t) показаны на рис Приращение напряжения u С Рис. 0.4 DT DT () (D) DT u = I dt = D I dt = I. С C C ср 0 0 Из полученного выражения следует, что амплитуда пульсаций выходного напряжения не зависит от его среднего значения. Для уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения необходимо, чтобы выполнялось условие C (D) DT I. u С Аналогичным образом можно показать, что амплитуда пульсаций тока уменьшается, если индуктивность дросселя (D) DT Н. i C 7
0 В установившемся режиме величина пульсаций тока не зависит от его среднего значения. 3. Повышающий импульсный регулятор Схема повышающего импульсного регулятора показана на рис Когда ключ замкнут, диод закрыт, и к дросселю приложено входное напряжение. Используя допущения, принятые в предыдущем параграфе, определим изменение тока дросселя на интервале 0 tи вх i = t и. (0.) После размыкания ключа диод откроется, и образуется последовательная цепь. Энергия, накопленная в дросселе, передается на выход схемы. При этом ток дросселя уменьшается. Изменение тока на интервале t и T ()(T t) вых вх и i =. (0.3) Рис. 0.5 Поскольку среднее значение тока остается неизменным, суммарное изменение тока на интервале T равно нулю: i + i = 0. Подставляя в последнее равенство формулы (0.) и (0.3), получим регулировочную характеристика схемы, показанной на рис. 0.5: = D вых вх. 8
0 При D > 0. 5 выходное напряжение превышает входное. Поэтому регулятор на рис. 0.5 называют повышающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульса D. Как и в понижающем преобразователе, амплитуда пульсаций тока в схеме на рис. 0.3 не зависит от его среднего значения. 4. Инвертирующий импульсный регулятор Схема инвертирующего регулятора изображена на рис Разобъем цикл преобразования на два такта. В течение первого такта, при замкнутом ключе ток циркулирует в контуре, образованном источником входного напряжения, ключом и дросселем. При этом в дросселе происходит запасание энергии. При размыкании ключа энергия, накопленная в дросселе, передается в конденсатор и сопротивление нагрузки. Рис. 0.6 Определим регулировочную характеристику схемы на рис Примем, что в течение каждого такта напряжение постоянно, а ток дросселя изменяется линейно. При замкнутом ключе вх i =. tи Здесь t и интервал, в течение которого ключ замкнут, i приращение тока на этом интервале. При разомкнутом ключе вых i =. T tи Здесь i изменение тока на интервале T tи. Среднее значение тока за цикл преобразования должно остаться неизменным. Поэтому суммарное изменение тока на интервале T i + i = 0. Регулировочная характеристика инвертирующего импульсного регулятора 9
03 D =. D вых вх 5. Потери и КПД импульсных регуляторов Ключ является одним из основных источников потерь в импульсных источниках питания. В зависимости от топологии преобразователя на ключ приходятся от 40 до 50 % общей суммы потерь. Кривые напряжения и тока в ключе понижающего импульсного преобразователя показаны на рис В качестве ключа используется МОП-транзистор. Рис. 0.7 Римской цифрой I обозначены интервалы времени, соответствующие замыканию и размыканию ключа. Цифрой II обозначен интервал, соответствующий замкнутому состоянию ключа. Как следует из рис. 0.7, основную часть потерь в ключе составляют потери на электропроводность и потери на переключение. Для уменьшения потерь на электропроводность стараются минимизировать напряжение на замкнутом ключе. Другим элементом, вносящим значительный вклад в общую сумму потерь, является диод. График тока диода на интервале коммутации показан на рис. 0.8. 10
04 Рис. 0.8 Основную долю потерь в диоде составляют потери на электропроводность и обратное восстановление. Потери, связанные с прохождением обратного тока через диод на интервале обратного восстановления, могут достигать значительной величины. Обратный ток диода может вызывать бросок тока в ключе, что приведет к дополнительным потерям. Для уменьшения потерь используют диоды Шоттки, имеющие меньшее прямое напряжение. Другой путь уменьшения потерь замена диода МОП-транзистором. Эффект от замены заключается в том, что сопротивление открытого канала МОП-транзистора очень мало. Управляющие импульсы на затворы МОПтранзисторов подаются так, что нижний транзистор открывается только после того, как полностью закроется верхний транзистор. Такое управление МОП-ключами имитирует работу диода и называется синхронным управлением. Определим приближенно потери в понижающем импульсном регуляторе, показанном на рис. 0.. Это даст возможность оценить влияние параметров регулятора на величину потерь КПД рассматриваемой схемы. Для упрощения выкладок примем следующие допущения.. Вольт-амперную характеристику ключа будем считать кусочно-линейной (рис. 0.9). В закрытом состоянии ток ключа равен нулю, а в открытом состоянии ключ имеет сопротивление, равное R вкл. Сопротивление ключа в открытом состоянии не зависит от тока через него. Рис. 0.9 Рис. 0.0 11
05. Вольт-амперную характеристику диода также будем считать кусочнолинейной (рис. 0.0). Величина 0 определяет пороговое напряжение, при котором появляется заметный ток диода. Сопротивление диода в открытом состоянии равно R D. 3. Примем, что индуктивность дросселя бесконечна. Это означает, что ток в ключе и диоде, когда они открыты, постоянный. Учитывая принятые допущения, определим потери в понижающем импульсном регуляторе. Они складываются из потерь на электропроводность и потерь на переключение. (D) + R I (D) R I P откр = Rкл DI н + I н 0 D н + др н. В последнем выражении I н ток нагрузки. Потери на переключение равны средней мощности, рассеиваемой в ключе за время его включения и выключения. Аналитическая оценка потерь на переключение связана с большими трудностями, поскольку кривые токов и напряжений при замыкании и размыкании ключа имеют сложную форму. Примем, что ток при замыкании и размыкании ключа изменяется линейно. При этом допущении потери на переключение, равные средней мощности, рассеиваемой в ключе, P пер = T t t 4 i dt + () вх н i dt = I t + t вх н вх н вкл выкл. t T t 3 T Полученные выражения показывают, что потери понижающего импульсного регулятора меньше, если коэффициент заполнения импульсов близок к единице. Аналогичным образом можно оценить потери в повышающем импульсном регуляторе. 6. Выводы. Источники вторичного электропитания, построенные по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор) рассеивают значительную мощность, имеют большие массу и габариты, малый КПД.. Значительно больший КПД обеспечивают импульсные источники, в которых регулирующим элементом является коммутатор (ключ), который переключается с определенным периодом повторения Т. 12
06 3. Основными компонентами импульсных источников питания являются элементы, имеющие малые потери дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы. 4. Импульсные источники вторичного электропитания работают на частотах в десятки и сотни килогерц. Это дало возможность значительно уменьшить размеры и массу трансформаторов и сглаживающих фильтров. 105 Лекция 11 ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ВХОДА И ВЫХОДА План 1. Введение. Прямоходовые преобразователи 3. Обратноходовой преобразователь 4. Синхронное выпрямление 5. Корректоры 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, 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. Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. ТРАНЗИТ ЭНЕРГИИ КОММУТАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ В НАГРУЗКУ Схемы, состоящие из пассивных и нелинейных элементов (LD) и позволяющие уменьшить коммутационные потери, часто называют Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ План 1. Источники вторичного электропитания 2. Однополупериодный выпрямитель 3. Двухполупериодные выпрямители 4. Трехфазные выпрямители 67 1. Источники вторичного электропитания Источники 9. Импульсные источники питания. Широтно-импульсная модуляция. В современном мире техники с ее тенденцией к миниатюризации и экономичности импульсные источники питания получили широкое распространение Основы функционирования преобразовательной электронной техники Выпрямители и инверторы ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ДИОДАХ Показатели выпрямленного напряжения во многом определяются как схемой выпрямления, так и используемыми 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 165 Лекция 17 ПОДАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ План 1. Введение 2. Источники электромагнитных помех 3. Методы подавления электромагнитных помех 4. Выводы 1. Введение Импульсные источники вторичного электропитания Изобретение относится к электротехнике и предназначено для реализации мощных, дешевых и эффективных регулируемых транзисторных высокочастотных резонансных преобразователей напряжения различного применения, 63. Исследование однофазных выпрямителей Цель работы:. Изучение устройства и принципа работы однофазных выпрямителей. 2. Определение внешних характеристик выпрямителей. Требуемое оборудование: Модульный Лабораторная работа 5.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ 5.3.1. Выпрямители Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основное назначение выпрямителя РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 1.1. Состав и основные параметры выпрямителей Электрический (ВП) предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. В общем случае схема ВП содержит трансформатор, вентили, Тема: Сглаживающие фильтры План 1. Пассивные сглаживающие фильтры 2. Активный сглаживающий фильтр Пассивные сглаживающие фильтры Активно-индуктивный (R-L) сглаживающий фильтр Он представляет собой катушку 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, 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 15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций
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 Глава 6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТОКА, КАЧЕСТВО ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПУТИ ИХ УЛУЧШЕНИЯ Энергетические показатели выпрямителей это коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент МУСКАТИНЬЕВ А. В., ПРОНИН П. И. ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ Аннотация. В статье обсуждаются проблемы выбора силовой схемы для сварочного источника. Приводится описание электрической принципиальной ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЛЕКЦИЯ 4 Цепи с взаимной индукцией. Рассмотрим два близко расположенных контура с числом витков w и w. На рисунке эти контуры условно покажем в виде одного витка. Ток, протекая в СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. - 2005. - 1. - 1-6 УДК 62-50:519.216 АНАЛИЗ И ВЫБОР ДЕМПФИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В.С. ДАНИЛОВ, К.С. ЛУКЬЯНОВ, Е.А. МОИСЕЕВ В настоящее время широкое ТЕМА 7 Температурная стабилизация При повышении температуры окружающей среды ток транзистора увеличивается и его характеристики смещаются вверх (рис. 1). Рис.1 Эмиттерная стабилизация. Заключается в использовании Глава 10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 10.1. Классификация преобразователей постоянного напряжения Преобразователи постоянного напряжения (ППН) предназначены для преобразования постоянного напряжения Лекция 3 «Выпрямители переменного напряжения». Для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используются схемы, называемые «выпрямителями». Для реализации функции выпрямления в подобных ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра радиофизики Практикум по радиоэлектронике Импульсные источники питания Методические указания 6 Лекция 6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ. Введение.. Индуктивный и емкостный элементы. 3. Законы коммутации и начальные условия. 4. Заключение.. Введение До сих пор мы рассматривали цепи, Лабораторная работа 1 Источники вторичного питания Целью работы является исследование основных параметров источника вторичного питания электронной аппаратуры на базе однофазного двухполупериодного выпрямителя. Глава 17. ИСТОЧИКИ ТОРИЧОГО ЭЛЕКТРОПИТАИЯ 17.1. Общая характеристика и классификация источников вторичного электропитания Источники вторичного электропитания (ИЭП) преобразуют переменное или постоянное БЛОКИ ПИТАНИЯ БПС-3000-380/24В-100А-14 БПС-3000-380/48В-60А-14 БПС-3000-380/60В-50А-14 БПС-3000-380/110В-25А-14 БПС-3000-380/220В-15А-14 руководство по эксплуатации СОДЕРЖАНИЕ 1. Назначение... 3 2. Технические Переходные процессы «на ладони». Вам уже известны методы расчета цепи, находящейся в установившемся режиме, то есть в таком, когда токи, как и падения напряжений на отдельных элементах, неизменны во времени. ГЛАВА 7 Комбинированный импульсный стабилизатор напряжения со связью по входному напряжению. Функциональная и принципиальная схемы стабилизатора В главе 7 предложены функциональная схема комбинированного Лабораторная работа 2 Исследование преобразовательных устройств: инвертора,конвертора в программной среде моделирования электронных схем Electronics Workbench 5.12. Цель работы: Ознакомиться с работой Формирователь ШИМ-тока с постоянным размахом для питания светодиодов Суреш Харихаран (Suresh Hariharan) Оптимальное функционирование сверхъярких светодиодов обеспечивается при питании их от источника тока 5 Лекция ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ План Принцип работы генераторов C-генераторы гармонических колебаний Генераторы прямоугольных импульсов 4 Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных 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 114 силовая электроника Параллельная работа импульсных повышающих преобразователей постоянного тока при наличии индуктивной связи дросселей Анатолий КОРШУНОВ Параллельная работа импульсных повышающих преобразователей 1 Лекции профессора Полевского В.И. Выпрямители синусоидального тока Вольтамперная характеристика электропреобразовательного диода На рис. 1.1. представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) электропреобразовательного 6. ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию с другими СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. 2006. 1(43). 147 152 УДК 62-50:519.216 ПОСТРОЕНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Е.А. МОИСЕЕВ Приводятся практические рекомендации по выбору элементов 11.5. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ Линейно изменяющимся или пилообразн ы м напряжением называют электрические колебания (импульсы), содержащие участки, на которых напряжение изменяется практически МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ Введение РАЗДЕЛ I Общая электротехника Глава 1. Электрические цепи постоянного тока 1.1. Основные понятия электромагнитного поля 1.2. Пассивные элементы цепей и их характеристики 1.3. Активные элементы Лекция 5 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ УСТРОЙСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ План 1. Введение 2. Общие свойства магнитных материалов 3. Магнитные материалы, используемые в преобразовательных устройствах 4. Трансформаторы 97 Лекция 9. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ План. Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).. Элементы КМОП-логики. 3. Основные параметры логических элементов. 4. Выводы.. Элементы транзисторно-транзисторной МПК H03F03/62 ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ Изобретение относится к усилительным устройствам и может быть использовано в телефонной связи. Известен двунаправленный усилитель, содержащий инвертирующие ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Игнатенко В.В. ПрЭ-1106. гр.361-3 Проблема коррекции коэффициента мощности Неэффективное использование электроэнергии, помехи в электросети, вызванные подключенными УДК 621.314.5 к.т.н. Саратовский Р.Н., Афанасьев А.М. (ДонГТУ, г. Алчевск, Украина) РЕЗОНАНСНЫЙ ИНВЕРТОР С КОМБИНИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ Розглянуто схемну реалізацію резонансного інвертора з комбінованою Новые модули питания с широким (4:1) диапазоном входных напряжений Одной из важных проблем энергетической электроники является разработка вторичных источников электропитания (ИВЭП), работающих от сети 54 Лекция 5 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕ- СКИХ ЦЕПЕЙ План Спектры апериодических функций и преобразование Фурье Некоторые свойства преобразования Фурье 3 Спектральный метод Устройство и ремонт источников питания цифровых СТВ ресиверов Внимание! Данную копию использовать только в ознакомительных целях (после прочтения сжечь) Rip by Vasya Pupkin Источник питания является одним ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 3 Глава 1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ОСНОВНОЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1.1. Предмет преобразовательной техники... 5 1.2.
«Электронный дроссель» Евгений Карпов В статье рассмотрены особенности работы электронного силового фильтра и возможность его использования в звуковоспроизводящей аппаратуре. Побудительным мотивом написания Интегрированные электроприводы переменного тока среднего напряжения Perfect Harmony: новый стандарт качества преобразования энергии 1. Электроприводы переменного тока среднего напряжения Данный класс 1 Лабораторная работа 17 Исследование работы диодных ограничителей Четырехполюсник, на выходе которого напряжение () остается практически неизменным и равным U 0, в то время как входное напряжение () может Лабораторная работа 1.3 Исследование энергетических характеристик выпрямительных устройств для питания телекоммуникационного оборудования 1. Цель работы 1.1 Определить наиболее эффективный преобразователь 1 S. CLEMENTE, B. PELLY, R.RUTTONSHA AN-939A УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ЧАСТОТОЙ 100 КГЦ НА ОДНОМ МОП ПТ Аннотация Мощные МОП ЛТ являются привлекательными кандидатами для использования в импульсных ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕКТОРОВ СОСТОЯНИЯ В КВАЗИРЕЗОНАНСНОМ ИМПУЛЬСНОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ, ПЕРЕКЛЮЧАЕМОМ ПРИ НУЛЕВОМ НАПРЯЖЕНИИ ВП Войтенко, ЮА Денисов Черниговский государственный технологический университет Украина, 68 Лекция 7 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПЯХ ПЕРВОГО ПОРЯДКА План 1 Переходные процессы в RC-цепях первого порядка 2 Переходные процессы в R-цепях первого порядка 3 Примеры расчета переходных процессов в цепях Карзов Б.Н., Кастров М.Ю., Малышков Г.М. ИМПУЛЬСНЫЕ СВОЙСТВАСХЕМ ДИОДНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ При выборе различных способов управления основными схемами диодных включений МДПтранзисторов, используемых ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Цели работы: 1. Исследование схем и основных характеристик регуляторов и стабилизаторов постоянного напряжения с импульсным 10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Общие сведения. Электронный ключ это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в НТЦ СИТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР СХЕМОТЕХНИКИ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. РОССИЯ, БРЯНСК ШИМ-КОНТРОЛЛЕРЫ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПО ТОКУ К1033ЕУ15хх К1033ЕУ16хх РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ Микросхема 1 Лекция ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 1 Введение Выпрямительные устройства 3 Линейные стабилизаторы напряжения параметрического типа 4 Теоретическое обобщение по теме 1 Введение Все источники питания ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИПС-300-220/24В-10А ИПС-300-220/48В-5А ИПС-300-220/60В-5А DC/DC-220/24B-10A (ИПС-300-220/24В-10А (DC/AC)/DC)) DC/DC-220/48B-5A (ИПС-300-220/48В-5А (DC/AC)/DC)) DC/DC-220/60B-5A Микросхема повышающего DC/DC конвертера (Функциональный аналог LT1937 ф. Linear Technology Corporation) Микросхема IZ1937 представляет собой повышающий DC/DC конвертер, разработанный специально для управления Линевич Э. И. [email protected] Приморский край, г. Артём Электромагнитный источник энергии (физические основы принципа действия) Предлагается генератор электрической энергии, который может быть использован Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра радиоэлектроники Отчет по лабораторной работе: НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ Выполнили: Проверил: Елена Морозова, Алексей Разин Блоки питания лазеров Краткий конспект лекций по дисциплине «Лазерная техника» Томск 202 Лекция Элементная база блоков питания и простейшие схемы на их основе Любой лазер ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (ДИБП) NO-BREAK KS Основные элементы, представленные на рисунке: 1. Дизельный двигатель. 2. Электромагнитная муфта сцепления. 3. Специальная бесщеточная Лабораторная работа 1 Выпрямитель переменного тока Цель: изучение работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей и их характеристик. Выпрямителем называется устройство для преобразования напряжения Лабораторная работа 2 Исследование сглаживающего фильтра источника вторичного питания Целью работы является изучение методов снижения пульсаций выпрямленного напряжения источника вторичного питания электронной В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения. Условия сравнения
Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе. В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый синхронный понижающий преобразователь с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3. Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak). Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора. Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы. Вследствие необходимости обеспечения надлежащего температурного рельефа на печатной плате, линейные регуляторы требуют большей площади. При максимальной нагрузке каждый линейный регулятор должен рассеивать мощность порядка 2 В. Согласно эмпирическому правилу, каждый ватт мощности, рассеваемый на участке печатной платы размером 1 × 2 дюйма, повышает ее температуру на 100 °C. Линейные регуляторы конструируются таким образом, чтобы их перегрев не превышал 40 °C. Безусловно, при ограниченной площади печатной платы предпочтительным будет синхронный понижающий преобразователь, даже, несмотря на увеличенное количество внешних компонентов и сложность расчетов схемы частотной компенсации цепи обратной связи и величины индуктивности. Тепловые характеристики
Термограмма на Рисунке 4 показывает температурный профиль каждой из трех схем, размещенных на печатной плате. Плата сконструирована таким образом, чтобы ни одна схема не влияла на тепловые характеристики соседней схемы. Из Таблицы 2 видно, что импульсный регулятор работает с наименьшим перегревом, равным 11 °C. Вследствие большой разницы между входными и выходными напряжениями, импульсный регулятор с синхронным выпрямлением по эффективности превосходит любую из линейных схем (Таблица 3). Обратите внимание, перегрев схемы интегрального линейного регулятора отличается от перегрева дискретной линейной схемы. Это связано с тем, что корпус интегрального регулятора (DDPak) крупнее, и рассеиваемое им тепло распределяется по большей площади. Используемые в дискретной линейной схеме корпуса SOT-23 и SOT223 меньше, чем DDPak, что делает отвод тепла более сложным. Тип Температура Максимальная Корпус
Импульсный Линейный интегральный Линейный дискретный Сравнение эффективности
Тепловые характеристики каждого регулятора непосредственно связаны с его КПД. Сравнить КПД трех схем позволяет Рисунок 5. Как и следовало ожидать, импульсный регулятор здесь вне конкуренции - и при легких нагрузках, и при максимальных. При облегченных нагрузках доминируют потери переключения и собственный ток потребления, чем и объясняется снижение КПД при малых выходных токах. При легких нагрузках лучше рассматривать графики потерь мощности (Рисунок 6), чем КПД, поскольку двукратное различие в КПД при токе 10 мА выглядит слишком большим. В то же время, величина тока, потребляемого нагрузкой, очень мала. При входном напряжении 24 В и выходном токе 10 мА потери мощности в импульсном регуляторе составляют 2.8 мВт, а в интегральном линейном - 345 мВт. При максимальной нагрузке измеренные потери мощности равны 0.093 Вт для импульсного регулятора и 2.06 Вт для линейного. В Таблице 3 собраны результаты измерений КПД и потерь мощности для всех трех схем. Можно заметить, что собственный ток потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у его интегрального аналога. Интегральный линейный регулятор содержит больше расходующих энергию внутренних цепей, но при этом он выполняет больше функций, чем дискретный. Тип С максимальной нагрузкой
Без нагрузки
КПД Потеримощности Собственныйток Импульсный Линейный интегральный Линейный дискретный Выходные характеристики
Аналоговые схемы могут быть чувствительными к пульсациям питания, а цифровые процессоры - к точности поддержания напряжения питания ядра. Поэтому важно сравнить наши схемы по таким параметрам, как пульсации на выходе, точность стабилизации напряжения и реакция на скачкообразное изменение нагрузки. Линейные регуляторы по самой своей природе отличаются малыми пульсациями, и часто используются для удаления шумов импульсных преобразователей. Пульсации напряжения обеих схем линейных регуляторов при максимальной нагрузке не превышают 10 мВ. В долях от выходного напряжения это лучше, чем 0.2%. С другой стороны, пульсации импульсного преобразователи достигают 75 мВ, или 1.5% от выходного напряжения. Уменьшить пульсации в схеме импульсного регулятора позволяет низкое эквивалентное последовательное сопротивление выходного керамического конденсатора. При сравнении точности стабилизации выходных напряжении во всем диапазоне нагрузок выигрывает импульсный регулятор. Из справочных данных на использованные компоненты видно, что источник опорного напряжения (ИОН) импульсного преобразователя характеризуется наилучшей точностью. Импульсные регуляторы являются относительно новыми интегральными схемами, и качество их ИОН постоянно улучшается. Дискретная линейная схема, в которой использован простейший метод стабилизации выходного напряжения, имеет наихудшие характеристики. Однако часто от источника 5 В и не требуется высокой точности, особенно, если это напряжение является входным для регуляторов следующего уровня. Осциллограммы выходных напряжений и токов в переходных режимах можно увидеть на Рисунках 7-9. Хотя точность поддержания напряжения у импульсного регулятора высока, его переходные характеристики намного хуже, чем у линейных схем. Измеренный от пика до пика отклик импульсного регулятора на скачок тока нагрузки от 50 до 100 мА составляет 250 мВ, или 5% от выходного напряжения, против 40 мВ у линейных схем. Уменьшить выбросы напряжения на нагрузке импульсного регулятора можно с помощью дополнительного выходного конденсатора, однако это приведет к росту цены и размеров. Следует отметить, что дискретная линейная схема не рассчитана на стабилизацию выходного напряжения во время переходных процессов в нагрузке. Кроме того, простота схемы не позволяет реализовать функции ограничения тока или защитного отключения при перегреве. В Таблице 4 собраны характеристики выходного напряжения для трех схем регуляторов. Тип Максимальные Выброс на выходе Погрешность регулирования Импульсный Линейный интегральный Линейный дискретный Сравнение стоимости
Большинство используемых в схемах внешних компонентов - это пассивные резисторы и конденсаторы, стоящие намного меньше $0.01. Самыми дорогими во всех трех схемах являются кремниевые приборы. Приведенные в Таблице 5 данные по стоимости комплектующих для всех вариантов схемы собраны в США по каналам дистрибуции на основе розничных цен, рекомендованных для партий из 10,000 компонентов. Как видим, оба линейных регулятора намного дешевле импульсного. К сожалению, для импульсного регулятора необходима внешняя индуктивность, которая может стоить порядка $0.10, однако дополнительные расходы могут быть оправданы улучшением КПД и габаритных характеристик. Разница в ценах линейных схем составляет всего лишь $0.06! При выборе между интегральным и дискретным линейным регулятором первый может оказаться предпочтительнее вследствие наличия встроенных цепей защиты. Заключение
В распоряжении разработчиков источников питания имеется большой выбор технических решений. Какое будет лучшим - зависит от требований, предъявляемых к конкретному приложению. Системы управления питанием, потребляющие меньше энергии и занимающие меньше места на плате, позволяют разработчикам сделать их продукты более индивидуальными и привлекательными для рынка. Синхронные понижающие преобразователи радикально отличаются от линейных регуляторов эффективностью и компактностью. Если на первое место выдвигается цена решения, возможно, будет целесообразным использование дискретного линейного регулятора, однако платой за это станут более плохие характеристики, отсутствие защитных функций и, вполне вероятно, дополнительные затраты на теплоотвод. Линейный дискретный Полный набор характеристик всех трех регуляторов, необходимых разработчику для выбора варианта, наилучшим образом отвечающего требованиям создаваемого им приложения, приведен в Таблице 6. Автоматические регуляторы импульсного действия
Автоматическое управление широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления. В современных системах автоматического управления системы автоматического регулирования являются подсистемами САУ и их применяют для регулирования различных параметров при управлении объектом или процессом. Принцип действия всякой системы автоматического регулирования (САР) заключается в том, чтобы обнаруживать отклонения регулируемых величин, характеризующих работу объекта или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на объект или процесс так, чтобы устранять эти отклонения. Для осуществления автоматического регулирования к регулируемому объекту подключается автоматический регулятор, вырабатывающий управляющее воздействие на регулирующий орган. Это управляющее воздействие вырабатывается регулятором в зависимости от разности между текущим значением регулируемой величины (температуры, давления, уровня жидкости и т. д.), измеряемой датчиком, и желаемым её значением, устанавливаемым задатчиком. Регулируемый объект и автоматический регулятор вместе образуют систему автоматического регулирования. Основным признаком САР, является наличие главной обратной связи, по которой регулятор контролирует значение регулируемого параметра. Рисунок 1. - Функциональная схема САР:
З - задатчик, для установки заданного значения параметра X0; Д - датчик (термопара, терморезистор, датчик уровня, скорости и др. для разных систем); Р - регулятор; ИМ - исполнительный механизм (эл. мотор с редуктором, пневмоцилиндры и др.); РО - регулирующий орган (кран, вентиль, заслонка и др.); О - объект регулирования (печь, эл. мотор, резервуар и др.); У - регулирующее (управляющее) воздействие; Z - помеха (возмущение); Х - регулируемый параметр; X1 - сигнал на выходе датчика; еX1X0 - ошибка, возникает при отклонении параметра от задания; X0 - заданное значение регулируемого (управляемого) параметра может быть постоянным X0 или изменяемым (Ut). Сигнал с задатчика может быть:
Промышленностью выпускается большое количество различных автоматических регуляторов, предназначенных для регулирования режима работы котельных установок (температуры, давления, расхода, уровня, состава вещества и пр.). Наибольшее распространение в промышленности получили стабилизирующие автоматические регуляторы непрерывного действия и релейные, реагирующие на отклонение регулируемой величины и использующие для воздействия на исполнительный механизм электрическую энергию или энергию сжатого воздуха. В современных регуляторах закон регулирования формируется, как правило, в соответствующих устройствах обратной связи, за исключением интегрального регулятора, который не имеет дополнительной обратной связи. Регулятор импульсный - автоматический регулятор прерывистого действия, выходной сигнал (управляющее воздействие) которого имеет характер модулированной последовательности импульсов. Необходимым элементом импульсного регулятора является импульсный элемент (модулятор), осуществляющий модуляцию выходной импульсной последовательности в соответствии с величиной сигнала ошибки. В зависимости от вида импульсной модуляции различают амплитудно-, широтно- и частотно-импульсные регуляторы. Импульсный характер управления облегчает решение ряда технологических проблем, возникающих при разработке автоматических регуляторов, и позволяет создавать некие регулирующие устройства, обладающие существенными конструктивными и эксплуатационными преимуществами. Одним из главных преимуществ импульсного регулятора является то, что в них с помощью простых и экономичных технических средств можно разрешить противоречие между точностью и мощностью управляющих сигналов. При непрерывном характере управления первичный измерительный прибор (магнитоэлектрический гальванометр, логометр, гироскоп и т. п.) постоянно соединен с датчиком-преобразователем, который преобразует показания прибора в мощный сигнал, управляющий работой исполнительного механизма. Датчик является дополнительной нагрузкой на подвижную систему прибора, снижающий точность его показаний. В импульсном регуляторе имеется возможность подключать датчик к первичному прибору лишь на время действия управляющего импульса. На это время подвижная система измерительного прибора фиксируется в том положении, в котором она находилась перед появлением импульса, так что точность показаний прибора не ухудшается. Существенным преимуществом регуляторов с амплитудно- и широтно-импульсной модуляцией (АИМ, ШИМ) является возможность осуществлять многоканальное регулирование. При этом один импульсный регулятор управляет работой нескольких объектов управления ОУ1, ОУ2, ОУN за счет временного разделения каналов регулирования, осуществляемого импульсными элементами ИЭ-1, ИЭ-2,…,ИЭ-N, работающих с одинаковыми или кратными периодами повторения Т, но сдвинутых по фазе на величину?Т. Рисунок 2. - Многоканальная импульсная САР:
а - структурная схема; б - диаграмма работы импульсных элементов; xi - регулируемые величины; еi - сигналы ошибок; ui - управляющие воздействия. Основным преимуществом импульсных регуляторов с частотно- и широтно-импульсной модуляцией (ЧИМ и ШИМ) является сочетание высокого качества регулирования с конструктивной простотой и надежностью, характерными для релейных систем. Высокое качество регулирования обеспечивается здесь линеаризующим действием ЧИМ или ШИМ, благодаря которому динамические характеристики импульсного регулятора приближаются к характеристикам линейных регуляторов. В то же время релейный характер выходного сигнала таких регуляторов позволяет применять простые и надежные исполнительные механизмы с релейным управлением: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, гидравлические или электропневматические приводы, соленоидные клапаны, шаговые двигатели и т. п. В качестве примера на рисунке 3 изображена блок-схема простейшего частотно-импульсного регулятора. Сигнал ошибки e(t), усиленный усилителем напряжения (УН), поступает на интегрирующий RC-фильтр. Сигнал после фильтра, усиленный усилителем мощности (УМ), подается на реле РУ, управляющее работой исполнительного механизма (ИМ) и реле времени (РВ). РВ, срабатывая с небольшой временной задержкой?t, разряжает конденсатор С. Это приводит к возврату РУ и остановке ИМ. В результате на выходе РУ появляются прямоугольные импульсы с постоянной длительностью?t и с частотой, приблизительно пропорциональной сигналу ошибки e(t). По динамическим свойствам такой импульсный регулятор близок к простейшему линейному астатическому регулятору, а по конструктивной простоте и надежности - к трехпозиционному релейному регулятору. Рисунок 3. - Блок-схема частотно-импульсного модулятора:
Импульсный способ передачи информации обладает повышенной помехозащищенностью. Поэтому импульсные регуляторы применяют в системах автоматического управления, содержащих проводные или радиотехнические каналы связи. Примерами таких систем являются радиолокационные станции сопровождения, системы телеуправления промышленными объектами и т. п. В электроэнергетике большое распространение получили регуляторы напряжения, частоты и активной мощности с ШИМ и ЧИМ. В СССР выпускался большой ассортимент устройств для одно- и многоканального импульсного и цифрового регулирования типа МИР-63, пневматические обегающие устройства типов УМО-8 и УМО-16, предназначенные для 8- и 16-канального импульсного регулирования и выпускающиеся в составе системы «СТАРТ», машины для централизованного контроля и многоканального цифрового регулирования типов «ЭЛРУ», «Зенит», «Цикл-2», «АМУР», «МАРС-200Р» и др. Импульсные регуляторы вместе со специальными логико-вычислительными устройствами позволяют создавать системы экстремального регулирования, предназначенные для автоматического подержания максимального (минимального) значения регулируемой величины. Примерами экстремальных импульсных регуляторов являются частотно-импульсный экстремальный регулятор «ЭРА-1» и экстремальные пневматические регуляторы серии АРС (система «СТАРТ»). Заключение
Совершенствование технологии и повышение производительности труда во всех отраслях народного хозяйства относятся к важнейшим задачам технического прогресса нашего общества. Решение этих задач возможно лишь при широком внедрении систем автоматического регулирования и управления как отдельными объектами, так и производством, отраслью и всем народным хозяйством в целом. Научно-техническая революция, вызванная созданием цифровых вычислительных машин, сказалась на развитии многих отраслей науки и техники. Особо сильному влиянию подверглись теория и практика автоматического регулирования и управления объектами и совокупностями объектов как в гражданской, так и в военной технике. Применение цифровой вычислительной техники открывает большие возможности при управлении такими сложными устройствами и системами, как прокатные станы, домны, бумагоделательные машины, поточные линии, подвижные объекты (самолеты, ракеты, космические корабли и др.), автоматизированные системы управления производством, железнодорожным транспортом, воздушным движением и т. п. Список использованных источников
Таблица 1.
Площадь платы и количество компонентов.
Таблица 2.
Сводка тепловых характеристик.
регулятора
перегрева
(°C)
температура
(°C)
Таблица 3.
Эффективность и потери мощности.
регулятора
(%)
(Вт)
потребления
(мА)
Таблица 4.
Сводка характеристик выходного напряжения.
регулятора
пульсации
выходного
напряжения
(мВ)
при скачке тока нагрузки
от 50 до 100 мА
(мВ)
при скачке тока нагрузки
от 0 до 100 мА
(мВ)
