Работа двухтактного преобразователя.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

 высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

 

Кафедра экологии, безопасности жизнедеятельности и электропитания.

 

 

Лабораторная работа №17

ИССЛЕДОВАНИЕ
РЕГУЛИРУЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

 

Москва 2017
План УМД 2017/2018 уч. г.

 

Лабораторная работа № 17

 

ИССЛЕДОВАНИЕ
РЕГУЛИРУЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

 

Составители С.Л. Яблочников, профессор

         К.Ф. Шакиров, ассистент

 

 

Издание утверждено на заседании кафедры

протокол № 4 от 12.10 .2017 г.

Рецензент: Костюк Е.В., доцент

 

 

Лабораторная работа № 17

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛИРУЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Цель работы

Изучить принципы построения и работы импульсных преобразователей напряжения постоянного тока (ППН) с независимым возбуждением.

2. План работы

2.1. Ознакомиться со стендом для исследования двухтактного преобразователя с выводом нейтральной точки первичной обмотки трансформатора, а также с принципом действия и основными характеристиками исследуемого преобразователя.

2.2. В режиме стабилизации выходного напряжения преобразователя U_ВЫХ при неизменном токе нагрузки снять зависимость изменения выходного напряжения ΔU_ВЫХ преобразователя от величины напряжения питания U_ИП (нагрузочная характеристика). Рассчитать значение коэффициента стабилизации.

2.3. При разомкнутой цепи обратной связи снять зависимость изменения выходного напряжения ΔU_ВЫХ преобразователя от величины напряжения питания U_ИП.

2.4. При неизменном напряжении питания, равном 12В и неизменном токе нагрузки снять регулировочную характеристику (для случая разомкнутой цепи обратной связи) преобразователя U_ВЫХ(γ).

2.5. В режиме стабилизации выходного напряжения снять внешнюю характеристику преобразователя U_ВЫХ=f(I_H) и рассчитать значение внутреннего сопротивления преобразователя r_i .

2.6. При разомкнутой цепи обратной связи и неизменном значении относительной длительности включенного состояния транзисторов (γ) снять внешнюю характеристику преобразователя и рассчитать внутреннее сопротивление преобразователя R₀,

2.7. С помощью осциллографа определить и представить в отчете:

- форму напряжения сток-исток транзистора VT2;

- форму напряжения вторичной полуобмотки трансформатора;

- форму напряжения на входе фильтра нижних частот.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Общие сведения о транзисторных преобразователях напряжения

Преобразование постоянного тока в переменный осуществляется периодическим прерыванием цепи постоянного тока. Устройства, выполняющие такое преобразование, называются инверторами. При необходимости изменения уровня выходного напряжения относительно уровня входного напряжения на выходе инвертора включается трансформатор. Если на выходе трансформатора включается выпрямитель (с фильтром), то все устройство осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока. В этом случае преобразователь называют конвертором.

При этом различают однотактные и двухтактные преобразователи. В однотактных преобразователях энергия из сети постоянного тока передается в нагрузку в течение одного из двух тактов работа преобразователя [1]. В двухтактных схемах энергия из сети постоянного тока передается в нагрузку в течение обоих тактов работы преобразователя.

В качестве элементов переключающих устройств в полупроводниковых преобразователях могут использоваться транзисторы и тиристоры. Транзисторные и тиристорные преобразователи подразделяются на регулируемые и нерегулируемые. Регулируемые преобразователи используются как регуляторы или стабилизаторы постоянного или переменного напряжения.

По числу выходных каналов (с различными значениями выходных напряжений) преобразователи можно разделить на одноканальные и многоканальные.

По диапазону рабочих частот преобразователи напряжения могут быть классифицированы следующим образом: низкочастотные
( ), среднечастотные ( ), высокочастотные ( ), сверхвысокочастотные ( ).

По способу возбуждения колебаний различают однотактные и двухтактные преобразователи с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой релаксационные генераторы с внутренней положительной обратной связью. Преобразователи с независимым возбуждением состоят из усилителя мощности и схемы управления (СУ), в состав которой входит формирователь управляющих импульсов или задающий генератор. Импульсы с выхода схемы управления поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на небольшие мощности (до нескольких десятков ватт). В радиоэлектронной аппаратуре они применяются как маломощные автономные источники электропитания. Преобразователи с независимым возбуждением применяют при мощности в нагрузке свыше нескольких десятков ватт.

По способу передачи электрической энергии однотактные преобразователи делятся на прямоходовые (с прямым включением диода) и обратноходовые (с обратным включением диода) (рис.1 а, б).

 

Рис.1. Схемы однотактных преобразователей:

прямоходового (а) и обратноходового (б)

Характерным признаком прямоходовых преобразователей является передача энергии в нагрузку во время открытого состояния транзистора VT1 (рис.1 а). На интервале времени, когда транзистор VT1 закрыт, через открытый диод VD3 происходит полное размагничивание магнитопровода трансформатора с помощью дополнительной обмотки . Размагничивание магнитопровода достигается тем, что энергия, запасенная в индуктивности обмотки трансформатора на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью возвращена в источник питания во время закрытого состояния VT1.

В обратноходовых преобразователях (рис.1 б) при открытом состоянии транзистора VT1 энергия запасается в магнитном поле трансформатора T2, а во время закрытого состояния транзистора энергия передается в нагрузку. Для осуществления обратноходовой схемы трансформатор должен иметь зазор, а полярность включения диода VD1 в схеме выпрямления должна быть изменена на обратную.

Рис.2. Варианты построения регулируемых преобразователей

на базе двухтактных инверторов напряжения:

а – инвертор со средней точкой трансформатора;

б – мостовой инвертор;

в – полумостовой инвертор

В однотактных преобразователях основная частота пульсаций  равна частоте преобразования , что дает завышенные габаритные размеры выходного сглаживающего фильтра.

Работа двухтактного преобразователя.

Двухтактные преобразователи отличаются от однотактных лучшим использованием полупроводниковых приборов и электромагнитных аппаратов (в первую очередь трансформатора). В структуру таких преобразователей входят двухтактный инвертор, выходной выпрямитель и фильтр. Улучшение свойств преобразователя достигается тем, что в двухтактном преобразователе на каждом такте работы обеспечивается передача энергии от источника в нагрузку. Таким образом, двухтактный преобразователь может быть представлен совокупностью двух однотактных с передачей энергии на прямом такте, но работающий со сдвигом во времени на половину периода. Следствиями такой работы являются увеличение выходной мощности, снижение импульсов тока, увеличение частоты пульсаций выходного напряжения, перемагничивание магнитопровода силового трансформатора по частному симметричному циклу.

В качестве примера на рис.2 приведены три варианта распространенных схем двухтактных регулируемых преобразователей: схема со средней точкой трансформатора, мостовая и полумостовая.

В данной лабораторной работе предполагается исследование работы классического двухтактного преобразователя напряжения с выводом нейтральной (средней) точки первичной обмотки трансформатора. Схема силовой части этого преобразователя приведена ниже на рис. 3-1.

Рассмотрим работу данного преобразователя в предположении идеальности всех его элементов и в предположении безразрывности тока дросселя L. Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в установившемся режиме при широтно- импульсном управлении транзисторами VT1, VT2 представлены на рис.3-2 (в обозначениях осей ординат указаны контрольные точки КТ, соответствующие гнездам стенда).

На рис.3-2 в и рис. 3-2г представлены временные диаграммы напряжений затвор-исток транзисторов VT1 и VT2, уровень которых превышает пороговые напряжения транзисторов так, что на временном интервале t=0…t_И транзистор VT1, а на временном интервале t=0.5T…(0.5T+t_И) транзистор VT2 находятся в режиме насыщения.

. Рис. 3-1. Схема двухтактного преобразователя (преобразователя типа push-pull).

 

Рис. 3-2. Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного преобразователя.

Состояния транзисторов VT1, VT2 и диодов VD1, VD2 (On или Off) на всех четырех временных интервалах за период Т преобразования энергии (рис. 3-2в) представлены в табл. 1. На первом временном интервале полярности напряжений на обмотках трансформатора показаны на рис. 3-1. Напряжение сток –исток закрытого транзистора VT2, равное сумме напряжения источника питания U_ИП и ЭДС на зажимах первичной полуобмотки W₁₂, также равная для идеального преобразователя U_ИП, оказывается равным удвоенному значению напряжения питания (см. рис.1-2 д).

Таблица 1.

Если обозначить W₁₁= W₁₂ через W₁, а W₂₁= W₂₂ через W₂ , то выражение для коэффициента трансформации трансформатора n₂₁ примет следующий вид:

n₂₁= W₂/ W₁. Напряжение на входе фильтра нижних частот u_a (рис. 1-2з) окажется равным на этом временном интервале U_ИП* n₂₁. Напряжение, приложенное к обмотке дросселя L (u_L), равное разности напряжения u_a и напряжения на выходе преобразователя U_H будет на первом временном интервале определять скорость нарастания тока дросселя, а, следовательно, тока диода VD1 (рис.1-2ж) и тока транзистораVT1 (эта кривая не приведена на рис. 3-2) 

На втором временном интервале t = t _И…0.5Т. Оба транзистора закрыты (Off) а за счет энергии запасенной дросселем L оба диода VD1, VD2 будут открыты и через каждый из диодов будет протекать ток равный половине тока дросселя., т.е на этом временном интервале трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания. Поэтому напряжения сток-исток закрытых транзисторов оказывается равным U_ИП (рис. 3-2д). При этом скорость убывания тока через диоды и вторичные полуобмотки трансформатора будет определяться напряжением, приложенным к обмотке дросселя, равным выходному напряжению U_H преобразователя.

На третьем временном интервале t=(0.5T…0.5T+t_И ) будут открыты транзистор VT2 и диод VD2. Кривая тока стока транзистора VT2 приведена на рис. 3-2 е. На четвертом временном интервале трансформатор снова оказывается в режиме короткого замыкания (при условии безразрывности тока дросселя).

Из кривой напряжения u_a(t) (рис 3-2 з ) следует, что период изменения этого напряжения оказывается в два раза меньше периода коммутации каждого из транзисторов. Следует отметить, что в рассматриваемом преобразователе вместо данной схемы выпрямления (двухполупериодной с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) могут применяться однофазная мостовая или схема с удвоителем тока, но в любом случае период напряжения u_a(t) будет в два раза меньше периода коммутации транзисторов. Среднее значение напряжения u_a(t) равно для идеального преобразователя напряжению на нагрузке. Если обозначить через γ относительную длительность включенного состояния ( t_И) отдельно взятого транзистора, т.е. γ= t_И/Т., то регулировочная характеристика преобразователя примет следующий вид:

U_H= t_И *U _ИП*n₂₁/0.5T = 2* γ* U _ИП*n₂₁.

Следует иметь в виду, что в литературе достаточно часто вместо γ применяют D= t_И/0.5Т. В этом случае регулировочная характеристика принимает следущий вид:

 U_H= t_И *U _ИП*n₂₁/0.5T = D* U _ИП*n₂₁.

К достоинствам двухтактных преобразователей по отношению к однотактным преобразователям следует отнести меньшие габариты фильтра нижних частот, так как в двухтактных ФНЧ работает на удвоенной частоте. На практике находят применение двухфазные однотактные преобразователи (с прямым включением диода), представляющие собой два отдельных модуля, работающих со сдвигом по фазе на половину периода, на общий ФНЧ, так что частота изменения напряжения на входе ФНЧ такая же как и в двухтактных преобразователях. . Но при этом вместо одного трансформатора, как это имеет место в двухтактных преобразователях, требуется установка двух трансформаторов с большей суммарной габаритной мощностью. Однако следует иметь в виду, что в рассматриваемом двухтактном преобразователе принципиально возможно появление одностороннего намагничивания материала магнитопровода трансформатора, для исключения которого приходится существенно усложнять схему управления. .

В реальных преобразователей существенное влияние на работу оказывают индуктивности рассеяния трансформатора и задержки переключения диодов выпрямителя. Другой особенностью реального полупроводникового преобразователя является необходимость шунтирования ключевых элементов обратными диодами и введения защитных RC – цепей, не показанных в рассматриваемых схемах.

---

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 842; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!