Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 42

Звідси отримуємо:

n =.

Qh(l + К зЄ)

Z н

(9.97)

9.10. Керовані випрямлячі

9.10.1. Методи і пристрої регулювання напруги постійного струму

У розглянутих нами випрямних схемах у якості вентилів використа­но діоди, і тому вони є некерованими випрямлячами, бо не дозволяють регулювати значення напруги на навантаженні.

Можливість зміни значення постійної напруги на навантаженні за не­обхідним законом у заданих межах може бути реалізована за допомо­гою керованих випрямлячів, що будуються на керованих вентилях, наприклад, на тиристорах.

Перед тим, як розглядати конкретні схемні рішення керованих ви­прямлячів, спочатку ознайомимось з основними методами регулювання напруги постійного струму, які, перш за все, можна розділити на два види: такі, що забезпечують регулювання з боку змінного струму і такі, що забезпечують регулювання з боку постійного струму.

Регулювання з боку змінного струму можливе при використанні ви­прямних схем на некерованих вентилях, але при цьому необхідно вводи­ти додаткові силові пристрої. Так можна:

1) змінювати значення змінної напруги, що подається на вентильну схему, перемиканням під навантаженням відводів вторинної обмотки транс­форматора, змінюючи тим самим коефіцієнт трансформації останнього;

2В0

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

2) застосовувати регулятори змінного струму з рухомим струмозні-мачем (автотрансформатори) або з рухомою магнітною системою (індук­ційні регулятори).

Із боку постійного струму можливе регулювання безперервними й імпульсними методами.

При безперервних методах застосовують:

1) реостати і дільники напруги;

2) компенсаційні регулятори (наприклад, розглянуті нами в пп. 9.8.2 стабілізатори).

Через великі втрати енергії в елементах регулятора (надлишок на­пруги тут гаситься на увімкнених послідовно з навантаженням еле­ментах, що принципово зумовлює низьке значення к.к.д.), такі методи застосовують в малопотужних регуляторах.

У наш час найвживанішими є імпульсні методи регулювання. Це зумовлено отриманням на основі стрімкого розвитку напівпровід­никових технологій силових електронних напівпровідникових приладів, що можуть працювати у ключовому режимі за досить високих напруг (тисячі вольт) і частот (десятки і сотні кілогерц) — польові і біполярні транзистори, СІТ-транзистори і БТІЗ, спеціальні види тиристорів.

Оскільки регулюючий елемент при реалізації імпульсних методів працює як ключ, то втрати енергії в ньому мінімальні, що визначає ви­сокий к.к.д. перетворювальних пристроїв.

Середнє значення постійної напруги на навантаженні Ud регулюєть­ся за цими методами за рахунок зміни співвідношення між тривалос-тями замкненого і розімкненого станів ключа, коли постійна напруга (наприклад, з виходу фільтра некерованого випрямляча) подається на навантаження або ні.

Напруга на виході регулятора має форму прямокутних імпульсів з амплітудою, що дорівнює е.р.с. джерела постійного струму.

Є декілька таких методів регулювання. Розглянемо основні з них.

• Метод широтно-імпульсного регулювання (ШІР) полягає у тому, що при сталому періоді надходження імпульсів змінюють їхню тривалість — ширину. У результаті маємо:

Ud = E T = Ey , (9.98)

де Е — е.р.с. джерела постійного струму;

t - тривалість імпульсу;

Т- період надходження імпульсів;

Y = -^7 = (0... 1) - коефіцієнт заповнення. (9.99)

Змінюючи g можна змінювати Ud від нуля (при д= 0) до Е (при д= 1).

• При частотно-імпульсному регулюванні (ЧІР) змінюють час­тоту (період) надходження імпульсів при їхній фіксованій тривалості.

Середнє значення напруги при цьому становить

U d = E L- = Etif, (9.100)

де f - частота імпульсів.

Мінімальне значення Ud , що наближається до нуля, отримують при частоті f® 0, а максимальне, що наближається до Е, при f® t'1.

• За комбінованого регулювання змінюють період і тривалість імпульсів.

Останній метод найпростіший у реалізації (так, наприклад, працює термо-біметалічний регулятор у прасці), але при регулюванні постійної напруги отримання її постійного значення у часі на навантаженні, що забезпечується, як відомо, за допомогою фільтрів, вимагає викорис­тання елементів фільтра з масо-габаритними параметрами, далекими від мінімально можливих. Це ж стосується і методу ЧІР.

Мінімальні параметри елементів фільтра забезпечує метод ШІР, оскільки за нього регулятор працює на фіксованій частоті.

До речі, ця частота, як правило, у багато разів перевищує частоту мережі змінного струму, що, тим більше, забезпечує мінімальні пара­метри елементів фільтра.

У порівнянні з іншими методами, метод ШІР забезпечує також кращі умови узгодження регулятора з мережею живлення (полегшене подав-лення радіоперешкод, що передаються з регулятора у мережу).

Виходячи з наведеного, метод ШІР застосовують найчастіше.

Схему простого і найбільш відомого імпульсного регулятора наве­дено на рис. 9.36,а. Тут силовий ключ, дросель і навантаження увімк­нуті послідовно. Дросель L з конденсатором C утворюють /"-подібний LC-фільтр.

При замкненому ключі К навантаження Rh живиться від джерела постійного струму Е (тече струм i'd), а елементи фільтра накопичують

2В2

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

енергію. Коли ключ розімкнутий, то навантаження живиться енергією, накопиченою в конденсаторі і дроселі. Для забезпечення передачі енергії, накопиченої в дроселі, у навантаження (протікання струму i"d), в схему введено діод VD, який називають зворотним. Діапазон регулювання ви­хідної напруги складає від 0 до значення наруги джерела живлення Е.

Цей регулятор є регулятором знижуючого типу. Його ще назива­ють чоппер (англ. chopper - переривач, або buck converter, step-down converter - знижуючий перетворювач).

Змінюючи порядок з'єднання елементів регулятора, можна отрима­ти ще дві схеми.

Так схему регулятора з вмиканням дроселя послідовно з наванта­женням, а ключа паралельно до нього наведено на рис. 9.36,б. Цей регулятор дозволяє отримати значення напруги на навантаженні Ud більші за напругу джерела живлення Е. Тому його називають регуля­тором підвищуючого типу або бустером (англ. boost converter або step-up converter - підвищуючий перетворювач).

Тут при замкненому ключі (оскільки ключем є біполярний транзистор VT, то замкненому стану ключа відповідає увімкнений стан транзисто­ра) дросель L підмикається до джерела живлення Е і через нього про­тікає зростаючий експоненційно струм iL (перехідний процес). За раху­нок цього в дроселі накопичується енергія. Полярність напруги на дро­селі вказана у дужках. Після розмикання ключа (при вимиканні транзи­стора VT) відкривається діод VD і конденсатор ємнісного фільтра C за­ряджається під дією напруги, що дорівнює сумі наруг джерела живлення Е і е.р.с. самоіндукції дроселя Полярність останньої вказано без дужок. Протікають струм заряду конденсатора ic і струм навантаження i1 При наступному замиканні ключа діод закривається під дією напруги на кон­денсаторі. Дросель знову накопичує енергію, а навантаження живиться за рахунок енергії, накопиченої в конденсаторі - протікає струм i "d.

Схему регулятора з вмиканням дроселя паралельно до навантажен­ня, а ключа послідовно з ним наведено на рис. 9.36,в. Такий регулятор називають регулятором інвертуючого типу (англ. buck-boost converter), бо він дозволяє отримувати на навантаженні наругу з по­лярністю, протилежною до полярності напруги джерела живлення. При цьому значення напруги на навантаженні можуть бути отримані як більші, так і менші за напругу джерела живлення.г)

Рис. 9.36 - Імпульсні регулятори напруги постійного струму:

знижуючого (а), підвищуючого (б), інвертуючого (в) типів і зворотноходовий (г) та їхні регулювальні характеристики (д)

При замиканні ключа (яким тут є БТІЗ VT) дросель L підмикається до джерела живлення і за рахунок протікання струму iL в ньому нако­пичується енергія. Полярність напруги на дроселі вказана у дужках. При розмиканні ключа (вимиканні транзистора VT) відкривається діод VD і енергія, накопичена в дроселі, за рахунок протікання струму ic пере­дається в конденсатор С, а за рахунок протікання струму i1 в наванта­ження. При наступному замиканні ключа діод закривається, знову нако­пичується енергія в дроселі, а навантаження живиться енергією, накопи­ченою в конденсаторі - через навантаження тече струм i"

Регулювальні характеристики розглянутих регуляторів показано на рис. 9.36,г, де їх відповідно позначено літерами а, б і в.

Зазначимо, що найчастіше застосовують регулятор знижуючого типу, бо у ньому ефективніше використовуються дросель і конденсатор, що утворюють тут /-подібний LC-фільтр. У двох інших маємо лише ємнісний фільтр C, у зв'язку з чим за однакових вихідних параметрів у них необхідно встановлювати дроселі з більшою індуктивністю, а кон­денсатори - з більшою ємністю. А це, своєю чергою, збільшує інер-ційність регуляторів і погіршує їхні масо-габаритні та інші показники. Також недоліком підвищуючого й інвертуючого регуляторів є нелінійність регулювальних характеристик. Зважаючи на вказане, такі регулятори застосовують лише за необхідності отримання на навантаженні зна­чення напруги, більшого за напругу джерела живлення, або напруги іншої полярності.

Розглянуті регулятори застосовують у випадках, коли немає потреби у гальванічній розв'язці від мережі живлення. Зазвичай напруга на них надходить з автономних джерел живлення (акумуляторів, гальванічних батарей) або від випрямлячів, що підмикаються до мережі через транс­форматор, який і забезпечує гальванічну розв'язку. При цьому класичні мережні трансформатори на 50 Гц мають значні габарити і масу.

Поява високочастотних імпульсних перетворювачів дозволила значно знизити масу і габарити джерел живлення з забезпеченням гальваніч­ної розв'язки між входом і виходом (див. також пп. 11.1.5). В основно­му застосовують схему зворотноходового перетворювача - флай-бек (англ. flyback - зворотноходовий) наведену на рис. 9.36,г. Транс­форматор тут забезпечує гальванічну розв'язку і виконує роль двооб-моткового дроселя, що накопичує енергію у первинній обмотці і передає

її у навантаження за допомогою вторинної. Його називають накопичу­ючим трансформатором.

Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка