Повна версія

Головна arrow Техніка arrow ЕЛЕКТРОННІ АПАРАТИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ІМПУЛЬСНИЙ РЕГУЛЯТОР З ПОСЛІДОВНИМ КЛЮЧЕМ

Цей тип регулятора називається знижуючим , так як його вихідна напруга не може перевищувати вхідний. Розглянемо принцип дії регулятора напруги при активному навантаженні J? H (рис. 4.22). Періодична комутація повністю керованого ключа S з частотою f s = 1 / T s викликає поява на навантаженні імпульсного однополярного напруги з амплітудою, що дорівнює напрузі джерела живлення Е. Середнє значення вихідної напруги на навантаженні U Uhlx залежить від співвідношення часу включеного? вкл і вимкненого? викл станів і визначається як

де у - коефіцієнт заповнення.

Таким чином, варіюванням у можна регулювати середнє значення вихідної напруги від 0 до Е. Способи зміни у можуть бути різними, але найбільшого поширення набув принцип регулювання на основі ШІМ.

Принцип дії імпульсного регулятора з послідовним ключем

Мал. 4.22. Принцип дії імпульсного регулятора з послідовним ключем:

а - принципова схема; б - діаграма напруги

Імпульсне регулювання викликає значну пульсацію вихідного напруги. Тому там, де це неприпустимо, на виході регулятора включають згладжує фільтр, що зменшує змінну складову. Для даної схеми найбільш ефективним і поширеним є Г-подібний LC-фільтр. На рис. 4.23 приведена силова частина схеми регулятора з LC-фільтром, транзисторним ключем VT і зворотним діодом VD , що створює шлях для струму індуктивності фільтра при виключенні транзистора VT. При відсутності зворотного діода VD будуть виникати неприпустимі перенапруги на транзисторі при його виключенні, обумовлені виникненням ЕРС самоіндукції в індуктивності фільтра.

Імпульсний регулятор з послідовним ключем

Мал. 4.23. Імпульсний регулятор з послідовним ключем:

а - схема силової частини; б - діаграма сигналу керування

Наявність LC-фільтра істотно впливає на електромагнітні процеси в регуляторі. Розглянемо ці процеси більш докладно для двох режимів роботи: з безперервним і переривчастим струмами індуктивності i L . Зазвичай змінна складова на виході фільтра незрівнянно менше середнього значення вихідної напруги. Тому обґрунтовано приймемо допущення про ідеальний згладжування напруги t / BbIX , тобто пульсацією нехтуємо.

Розглянемо режим роботи з безперервним струмом i r У цьому режимі відбувається періодична зміна двох станів схеми. Перше стан (інтервал I) має місце при включеному транзисторі VT тривалістю? вкл = у T s , а другий (інтервал II) - при вимкненому стані протягом часу? викл = (1 - у ) T S . Допущення про відсутність пульсації вихідної напруги дозволяє замінити ємність фільтра і навантаження еквівалентним джерелом напруги t / BbIx . Замінюючи також напівпровідникові прилади ідеальними ключами, можна для кожного інтервалу скласти еквівалентні схеми силової частини регулятора, наведені на рис. 4.24, а, і отримати наступні рівняння для кожного стану ключа: Режим роботи понижуючого імпульсного регулятора з безперервним струмом індуктивності

Мал. 4.24. Режим роботи понижуючого імпульсного регулятора з безперервним струмом індуктивності:

а - схема заміщення по інтервалах; 6 - діаграми напруги і струму; в - узагальнена схема з імпульсним джерелом живлення

Зміна струму i L відбувається за лінійним законом (рис. 4.24, б): на інтервалі I струм збільшується, а на інтервалі II - зменшується:

Прирівнявши початкові і кінцеві значення струмів для одного періоду (в усталеному режимі все періоди ідентичні), можна з виразів

(4.14) отримати вже відому нам залежність (4.11) вихідної напруги від коефіцієнта заповнення.

Ми проаналізували роботу нелінійної схеми регулятора за допомогою складання лінійних еквівалентних схем для кожного інтервалу. Покажемо, що для цього регулятора можна скласти одну лінійну еквівалентну схему з напругою джерела живлення імпульсної форми. Згадаймо, що на інтервалі 1 ток i L протікає через включений транзистор VT, а діод VD замкнений зворотним для нього напругою джерела. На інтервалі II транзистор VT вимкнений і ток i L протікає через діод VD. Таким чином, на вхід фільтра надходить напруга u VD (t) імпульсної форми. З огляду на, що внутрішній опір джерела u VD (t ) при ідеальних ключах дорівнює нулю, зміна струму i L і вихідна напруга можна визначити з узагальненої лінійної еквівалентної схеми, представленої на рис. 4.24, в. В результаті отримаємо ті ж залежності - (4.11) і (4.14).

Оцінку рівня пульсації вихідної напруги 1C-фільтра можна наближено провести наступним методом. Відповідно до одного з прийнятих визначень пульсації маємо

де А [/ вих - полуразность максимального t / Bblxmax і мінімального t / BbIxmin значень напруги на виході регулятора.

Струм індуктивності i L (див. Рис. 4.24, б) має постійну і змінну складові. Перша через ємність фільтра протікати не може і замикається в ланцюзі навантаження. Реактивний опір ємності фільтра на частоті комутації зазвичай набагато менше опору навантаження. Отже, можна вважати, що вся змінна складова струму i L проходить через ємність фільтра, створюючи пульсацію напруги на ньому. Приріст заряду A Q ємності для кожної напівхвилі струму в ньому запишемо в наступному вигляді:

де I Cc? = AI l / 8 - середнє значення напівхвилі струму в ємності, A I L = / Lmax - - ^ Lmin *

Згідно діаграмі на рис. 4.24, б з урахуванням виразу (4.14)

тоді

Вираз (4.18) дозволяє визначити твір ємності С і індуктивності L вихідного фільтра з умови забезпечення заданого рівня пульсацій Д [/ вих , який зазвичай задається у формі коефіцієнта пульсацій К і в процентному вираженні по відношенню до середнього значення, тобто

до і = Аі іих / і вих -т%.

Розглянемо режим роботи регулятора з переривчастим струмом в індуктивності (рис. 4.25). В цьому режимі струм i L спадає до нуля на інтервалі, коли транзистор VT вимкнений, і виникає новий стан регулятора з тривалістю t " blKJl (інтервал III), коли струм i L дорівнює нулю, а напруга на навантаженні підтримується за рахунок енергії, накопиченої в ємності фільтра. на інтервалі III (при нехтуванні пульсацією на виході фільтра) еквівалентна схема набуває вигляду, відповідний схемою на рис. 4.25, а. У реальній схемі (рис. 4.25, б), що враховує кінцеве значення ємності, напруга на активному навантаженні зменшується по експоненті.

Режим роботи понижуючого регулятора з переривчастим струмом індуктивності

Мал. 4.25. Режим роботи понижуючого регулятора з переривчастим струмом індуктивності:

а, б - схеми заміщення на інтервалі III при нехтуванні пульсацією і з урахуванням кінцевої ємності фільтра; в - діаграми сигналу управління і струму дроселя

Переривчастий режим в зоні робочих струмів регулятора вважається небажаним через зростання пульсацій і з інших причин. Знайдемо умови виникнення граничного режиму. Якщо врахувати, що на інтервалі I початкове значення струму i L в переривчастому режимі дорівнює нулю, струм граничний навантаження / ', (рівний для цього типу регулятора середнім значенням струму в індуктивності) визначається з наступного співвідношення:

Значення граничного струму при заданих значеннях Е } L і T s залежить від коефіцієнта заповнення у. Зі співвідношення (4.19) очевидно, що / '= 0 при значеннях у = 0 і у = 1. Максимальне ж значення /' має місце при у = 0,5:

Цікавим є зовнішня (навантажувальна) характеристика регулятора, тобто залежність вихідної напруги регулятора від струму навантаження при постійній напрузі харчування. При відсутності втрат в регуляторі в режимі безперервного струму вихідна напруга теоретично не залежить від струму навантаження при будь-якому значенні у. Така зовнішня характеристика називається жорсткою. На рис. 4.26 представлено сімейство зовнішніх (навантажувальних) характеристик перетворювача в відносних одиницях f / * bIX , / *, де за базові значення обрані [/ вих б = Е і / н б = / н тах . Штрихова крива на рис. 4.26 розділяє області роботи з безперервним і переривчастим струмом.

Зовнішні характеристики понижуючого регулятора

Мал. 426. Зовнішні характеристики понижуючого регулятора

 
<<   ЗМІСТ   >>