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