Двухтактные преобразователи напряжения

Лабораторная работа №6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение основных методов стабилизации постоянного напряжения, исследование характеристик параметрического стабилизатора последовательного типа.

1. Некоторые сведения из теории

Нестабильность питающей цепи и изменение в процессе работы тока, потребляемого нагрузкой, приводят к изменению выходного напряжения источника питания. В связи с этим большинство источников вторичного электропитания (ИВЭ) содержат в своем составе стабилизаторы напряжения. Классификация стабилизаторов, их основные параметры и принципы построения изложены в [1-6].

Электропитание маломощной аппаратуры обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН используются элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой - стабилитроны, чаще всего кремниевые. Кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики (участок 1-2) рис. 1.

Принципиальная схема однозвенного ПСН показана на рис.2. Она состоит из гасящего резистора R_г , включенного последовательно с нагрузкой R_н, стабилитрона VD1 и компенсирующего диода VD2. Принцип работы схемы заключается в следующем.

При увеличении входного напряжения U_вхвозрастает ток через стабилитрон VD1, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем резисторе R_г. Приращение напряжения на R_г примерно равно увеличению напряжения на входе стабилизатора, поэтому напряжение на нагрузке изменяется незначительно.

Основными параметрами стабилизатора являются: коэффициент стабилизации К_ст; внутренние сопротивление R; коэффициент полезного действия η; коэффициент сглаживания пульсаций q.

Коэффициент стабилизации по напряжению определяется как

или = , (1)

где U_вхн и U_выхн - номинальные значения входного и выходного напряжений, ∆U_вых изменение выходного напряжения от номинального вызванное изменением входного напряжения на ∆U_вх.

Коэффициент сглаживания пульсаций

, (2)

где ε_вх и ε_вых пульсации на входе и выходе стабилизатора. Из формул (1) и (2) видно, что коэффициент сглаживания пульсаций стабилизатора q равен его коэффициенту стабилизации К_ст.

Для однозвенного ПСН коэффициент стабилизации равен

, (3)

где - дифференциальное сопротивление стабилитрона
(2 - 50 Ом).

Коэффициент полезного действия ПСН определяется выражением:

, (4)

где I_н - ток нагрузки, I_вх=I_н+I_c_т_.

Внутренние сопротивление однокаскадного ПСН приближенно равно дифференциальному сопротивлению r_ст.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению напряжения стабилизации. Количественной характеристикой этого явления служит температурный коэффициент напряжения (ТКН) α стабилитрона. Зависимость α от напряжения стабилизации показана на рис. 3. Как видно из рис. 3, ТКН при U_ст<5,5 В отрицательный, при U_ст>5,5 В - положительный. Для компенсации роста напряжения стабилизации при увеличении температуры в схему включают полупроводниковый диод или стабилитрон в прямом включении, у которого ТКН отрицательный (VD2, рис. 2) [1, 3].

Приведенная схема термокомпенсации дает хорошие результаты при использовании стабилитронов с напряжением U_ст>7 В.

Для увеличения коэффициента стабилизации последовательно включается два и более звеньев стабилизации рис. 4. Коэффициент стабилизации такой схемы будет равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев:

= , (5)

= = . (6)

Также для увеличения КПД и коэффициента стабилизации ПСН в качестве ограничительного сопротивления R_г используют параметрический стабилизатор тока (ПСТ). В качестве ПСТ могут быть использованы биполярные или полевые транзисторы. Электрическая схема ПСТ с полевым p-канальным транзистором и ее характеристики приведены на рис. 5.

Регулировка тока стабилизации осуществляется изменением потенциометра R_см. Когда напряжение на затворе равно нулю, ток в нагрузке максимален. При увеличении сопротивления смещения растёт напряжение на нём, к затвору прикладывается отрицательное напряжение, что приводит к падению тока в нагрузке рис. 5 (б).

Стабилизация тока нагрузки осуществляется следующим образом:

при изменении входного напряжения рис. 6 (а) изменяется падение напряжения на транзисторе U_си, а ток через него и напряжение на нагрузке остаются практически неизменными;

при изменении выходного сопротивления рис. 6 (б) изменяется падение напряжения на транзисторе U_си и напряжение на нагрузке, а ток стабилизации изменяется незначительно.

В обоих случаях транзистор должен находиться в активном режиме, иначе схема выйдет из режима стабилизации.

Дифференциальное сопротивление ПСТ велико и определяется из выходной вольтамперной характеристики транзистора

= . (7)

Коэффициент стабилизации определяется формулой:

= = , (8)

где U_вх и I_вых номинальные значения входного напряжения и тока соответственно, ∆I_вых изменение выходного тока от номинального вызванное изменением входного напряжения на ∆U_вх.

Схема ПСН с ПСТ в качестве гасящего элемента и ее вольтамперная характеристика приведена на рис. 7. При изменении входного напряжения входной ток изменяется незначительно и выходное напряжение остается практически прежним.

Благодаря тому что стабилизатор напряжения запитывается стабилизатором тока, коэффициент стабилизации стабилизатора возрастает.

= . (9)

2. Описание лабораторной установки

Полная принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 8. Подача напряжения на схему производится ключом S1.

Стабилизатор питается от регулируемого выпрямителя, величина выходного напряжения которого устанавливается с помощью переменного резистора. Ключ S2 используется для подключения исследуемой схемы: в положении 1 - параметрического стабилизатора; в положении 2 - компенсационного стабилизатора. Параметрический стабилизатор включает в себя гасящий резистор R_г1 и стабилитрон VD1.

Выходное напряжение стабилизаторов лежит в пределах 5÷10 В. Исследование характеристик стабилизаторов проводится с помощью шунтов R_ш1 ,R_ш2 сопротивлением 10 Ом, вольтметра В7-26 и осциллографа С1-65. Нагрузкой схем служит переменное активное сопротивление, величина которого регулируется резистором R6 в пределах от 37 до 310 Ом.

3. Методические указания

1. ВНИМАНИЕ. Переключение исследуемых схем производить при выключенном ключе S1.

2. Постоянная составляющая входного и выходного напряжения измеряется вольтметром ВК-26 в гнездах Х2 и Х3 соответственно.

3. Коэффициент пульсаций измеряется ( с помощью осциллографа) как отношение амплитуды переменной составляющей к величине постоянного напряжения:

,где DU_d =U_макс-U_мин.

4. Перед измерением необходимо проверить калибровку осциллографа.

5. Величина коэффициента стабилизации находится по формуле (1) для середины участка стабилизации по графику U_вых =f(U_вх). Внутренние сопротивление стабилизатора определяется из нагрузочной характеристики стабилизатора.

4. Программа работы

1. Снять зависимость U_вых =f(U_вх) для максимального и минимального значений сопротивления нагрузки.

2. Установить U_вх в диапазон стабилизации и исследовать зависимость U_вых =f(I_вых) (нагрузочную характеристику) параметрического стабилизатора.

3. Исследовать величину пульсаций на входе и выходе стабилизатора для нескольких токов нагрузки.

4. По данным пунктов 1, 2 вычислить значение коэффициента стабилизации К_ст и внутренние сопротивление стабилизатора R_i.

Контрольные вопросы

1. Основные характеристики и параметры стабилизатора.

2. Классификация стабилизаторов постоянного напряжения.

3. Принцип построения и работа параметрического стабилизатора напряжения.

4. Принцип работы схемы термокомпенсации.

5. Принцип построения и работа параметрического стабилизатора тока.

6. Способы расчета коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления ПСН.

Литература

1. Китаев В.Е., Бокуняев А.А. Расчет источников электропитания устройств связи. М.: Связь, 1979. 216 с.

2. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С.Найвельт, К.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др.: Под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1986. 576 с.

4. Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. М.: горячая линия – телеком, 2001.

5. Готлиб И. М. Источники питании. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. М.: Постмаркет, 2000.

6. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон – Р, 2001.

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение основных методов стабилизации постоянного напряжения, исследование характеристик компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.

1. Компенсационный стабилизатор напряжения

последовательного типа

Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора приведена на рис. 1. Она содержит регулирующий элемент РЭ, усилитель постоянного тока УПТ, источник опорного напряжения и схему сравнения СС. На вход схемы подается выпрямленное напряжение U_{вх .}При изменении U_вх или тока нагрузки в измерительном элементе (СС) появляется сигнал рассогласования, который через УПТ поступает на управление РЭ. Сопротивление РЭ постоянному току меняется таким образом, что выходное напряжение U_н на нагрузке R_н сохраняется почти постоянным.

Принципиальная схема простейшего стабилизатора компенсационного типа непрерывного регулирования показана на рис. 2. Схема включает в себя:

VT_рэ - регулирующий элемент;

VT_у, R_у - усилитель постоянного тока с общим эмиттером;

R_г, VD - источник опорного напряжения (ПСН);

R1, R2, R3 - выходной делитель напряжения;

С_н – выходной фильтр.

Регулирующий элемент в схеме включен последовательно с нагрузкой. Усилительный транзистор усиливает разницу U_бэ=U_б-U_оп. Стабилизатор работает следующим образом. При изменении входного напряжения в первый момент времени происходит изменение выходного напряжения. Это напряжения делится делителем R1-R3 и подаётся на базу усилительного транзистора VT_у. Оно сравнивается с опорным напряжением U_оп и их разница усиливается. С выхода усилительного каскада напряжение подаётся на базу регулирующего элемента и изменяет его внутреннее сопротивление. Например, U_вх возрастает, тогда напряжение на базе VT_у растёт, он открывается и возрастает его коллекторный ток. Увеличивается падение напряжения на Rу, соответственно уменьшается напряжение база – эмиттер VT_рэ, он закрывается, внутреннее сопротивление регулирующего элемента растет, возрастает падение напряжения коллектор- эмиттер регулирующего элемента, что приводит к уменьшению выходного напряжения до исходной величины.

Если входное напряжение падает, то сигнал с управляющего транзистора так воздействует на регулирующий элемент, что его внутреннее сопротивление падает, падение напряжения на нём уменьшается на такую величину, на какую уменьшилось входное напряжение.

U_вх=U_кэрэ+U_вых. (1)

При изменении тока нагрузки в случае постоянства входного напряжения происходит изменение выходного напряжения. При увеличении тока нагрузки, выходное напряжение падает за счет увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении регулирующего транзистора, и наоборот. Это напряжение через делитель R1-R3 подаётся на вход усилителя постоянного тока VT_у, усиливается и воздействует на регулирующий элемент таким образом, что при уменьшении выходного напряжения, уменьшается падение напряжения на регулирующем элементе.

Стабилизация напряжения обеспечивает сглаживание пульсаций переменного напряжения. Коэффициент сглаживания пульсаций равен коэффициенту стабилизации стабилизатора.

= . (2)

Рассчитаем коэффициент стабилизации для стабилизатора.

= , (3)

∆ = = . (4)

Если U_вх изменилось на U_вх, то для того, чтобы оно не изменялось, необходимо, чтобы оно всё выделилось на регулирующем элементе.

= = = ,

здесь верхняя часть плеча обозначена RI, а нижняя RII.

Обозначим = - коэффициент деления делителя.

= , (5)

где К_р, К_у - коэффициенты усиления по напряжению регулирующего и усилительного транзисторов. Отсюда

= , <1. (6)

Внутренние сопротивление стабилизатора

= = = = , (7)

где S- крутизна регулирующего транзистора.

Выражение (6) показывает, что К_ст увеличивается с ростом коэффициента усиления VТ_у. Поэтому в качестве УПТ в стабилизаторах часто применяют интегральные схемы (обычно ОУ) с К_у = 10³-10⁴ . Наличие делителя напряжения позволяет увеличить стабилизированное напряжение в 1/a раз , однако при этом уменьшается К_ст (6).

Также для увеличения К_у VT_у можно увеличить сопротивление нагрузки управляющего транзистора Rу. Для этого в качестве нагрузки используют параметрический стабилизатор тока.

Для увеличения коэффициента сглаживания пульсаций параллельно верхнему плечу делителя напряжения ставится конденсатор (обозначен пунктиром на рис. 2), реактивное сопротивление которого на частоте основной гармоники значительно меньше активного сопротивления верхнего плеча делителя, то есть 1/ С<<RI.

Коэффициент сглаживания пульсаций увеличивается за счёт того, что на переменной составляющей коэффициент деления делителя становится равным 1.

При изменении температуры окружающей среды увеличивается напряжение на стабилитроне, то есть растёт опорное напряжение, что приводит к падению напряжения база-эмиттер управляющего транзистора, уменьшению тока через него, возрастанию его напряжения на коллекторе, росту напряжения на базе регулирующего элемента, падению напряжения регулирующего элемента и росту выходного напряжения.

Для обеспечения температурной стабилизации выходного напряжения в верхнее плечо делителя напряжения ставится диод (на рис. 2 показан штрихом) с отрицательным температурным коэффициентом напряжения. При росте температуры, падение напряжения на вентиле уменьшается, уменьшается падение напряжения на верхнем плече делителя, а на нижнем плече напряжение растёт. За счёт этого напряжение между базой и эмиттером управляющего транзистора остаётся постоянным при изменении температуры окружающей среды.

В качестве регулирующего транзистора, для увеличения выходной мощности, можно использовать составной транзистор (схему Дарлингтона рис. 3.). Необходимость применения в ряде случаев составного транзистора вызвана следующими соображениями. По резистору R_у(рис. 2) проходят коллекторный ток транзистора VТ_у и ток базы транзистора VТ_рэ. Чтобы потенциал базы VТ_рэ однозначно зависел от приращения тока транзистора VТ_у, ток последнего должен быть значительно больше тока базы транзистора VТ_рэ. Для управления большим током нагрузки приходится включать мощный транзистор VТ_рэ, ток базы которого значительный. В этом случае приходится применять в качестве VТ_у тоже мощный транзистор, чтобы коллекторный ток был больше базового тока транзистора VТ_рэ. Применение составного транзистора позволяет использовать в качестве VТ_у маломощный транзистор с большим коэффициентом усиления по напряжению или операционный усилитель, так как , а управляющим током является ток базы VT1, который не велик.

Для увеличения тока регулирующего транзистора несколько транзисторов включаются параллельно рис. 4 (а). В этом случае, для выравнивания токов через транзисторы, последовательно с ними устанавливаются резисторы небольшой величины - доли Ома.

Также для увеличения тока через регулирующий элемент параллельно ему может устанавливаться простой резистор рис. 4 (б). В этом случае

I_н=I_к+I_ш, I_к=I_н-I_ш=I_н-U_кэ/R_ш. (8)

R_ш рассчитываем из условия, что I_к=0, I_ш=I_н при U_вх_max.

= , (9)

подставляем (8) в (9) и получим:

= . (10)

Тогда для рассмотренного случая

= , (11)

то есть в номинальном режиме потери на транзисторе в 4 раза меньше, чем без шунтирующего резистора.

График зависимости тока от напряжения для этого случая представлен на рис. 5.

2 Интегральные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием.

В настоящие время промышленность выпускает две разновидности интегральных стабилизаторов: с регулируемым выходным напряжением и с фиксированным значением выходного напряжения. Первые из них отличаются большей универсальностью , вторые - минимальным количеством навесных элементов. Параметры интегральных стабилизаторов и рекомендаций по их применению приведены в [6, 7, 8].

Во вторичных источниках электропитания достаточно широко используются интегральные стабилизаторы малой мощности типа КI42ЕНI, КI42ЕН2. Принципиальная схема указанных ИСН показана на рис.6. Схема содержит все основные элементы, характерные для компенсационных стабилизаторов с непрерывным регулированием. Источником опорного напряжения служит стабилитрон VD1, в катодную цепь которого включен генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторе VТ1.

Опорное напряжение через эмиттерный повторитель и делитель R1, R2 подается на дифференциальный каскад VТ4, VТ5, выполняющий функции схемы сравнения и усилителя постоянного тока. На второй вход ДК подается напряжение, пропорциональное напряжению нагрузки. ГСТ, выполненный на транзисторе VТ2 , является динамической нагрузкой ДК.

Регулирующий элемент схемы - составной транзистор VТ7, VТ6. Транзисторы VТ8, VТ9 вспомогательные, их назначение будет показано ниже.

Принцип работы. При увеличении входного напряжения, в первый момент времени на выходе стабилизатора напряжение также увеличивается. Это напряжение через делитель R8-R9 подаётся на базу транзистора VT5, которое является усилителем постоянного тока. Опорное напряжение подаётся на базу транзистора VT3 и выделяется на R3, таким образом выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, которое снимается с R3. Так как выходное напряжение возросло, значит возросло напряжение на базе VT5. Растёт ток базы этого транзистора, растёт коллекторный ток VT5, уменьшается ток базы транзисторов VT6, VT7. Возрастает их внутреннее сопротивление и растёт напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT7, что приводит к падению выходного напряжения до исходной величины.

Делитель R8, R9 позволяет регулировать выходное напряжение в пределах 3-12 В для К142ЕН1 и 12-30 В для К142ЕН2.

Защита ИСН от перегрузки по току состоит из датчика тока R7 и делителя R5, R6, который определяет режим работы транзистора защиты VТ9 (см. рис.6). Ток через делитель устанавливается равным 0,3 мА, R5=2 кОм. Отсюда можно определить величину R3:

R6=(U_н+ U_бэ)/I_д, (12)

где U_бэ - напряжение база - эмиттер VТ9, U_бэ =0,7 В.

Напряжение на R7 открывает VТ9 при токе I_н=I_кз, который выбирается из условия

I_кз=2,21I_ном<I_макс. (13)

Сопротивление резистора R1 определяется соотношением

R7= U_бэ/ I_кз=0,7/ I_кз. (14)

Действие защиты от перегрузки основывается на резком уменьшении тока выхода до величины I_кзо. При увеличении тока нагрузки до величины, большей I_кз, падение напряжения на резисторе R7 становится достаточным для открывания транзистора VТ9. В результате этого выход дифференциального каскада подключается к нагрузке, транзисторы VТ7, VТ6 закрываются. Нагрузочные характеристики интегральных микросхем К142ЕН1,2 при двух сопротивлениях датчика тока R7 приведены на рис. 7. Выключение источника питания при этом не происходит. Поэтому мощность, рассеиваемая схемой в этом режиме, максимальна и равна произведению I_кзо U_{вх. макс}. В соответствии со значением этой мощности рассчитывается радиатор. После устранения перегрузки ИСН автоматически возвращается в рабочие состояние.

Делитель R8, R9 служит для регулирования выходного напряжения стабилизатора. Необходимо, чтобы ток делителя R8, R9 превышал 1,5 мА. Сопротивление R9 рекомендуется брать равным 1,2 кОм.

Для повышения устойчивости стабилизатора включаются корректирующие конденсаторы С_к и С_н. Последний, кроме того, уменьшает пульсации на нагрузке.

В ИСН типов К142ЕН1,2 предусмотрена возможность выключения стабилизатора внешним сигналом. Для этого на вывод 9 через резистор подается положительное напряжение U_у=2 В, которое открывает транзистор VТ8 (см. рис.6). База транзистора VТ7 оказывается под действием низкого потенциала, регулирующий транзистор VТ6 закрывается, и ток нагрузки становится равным нулю. Подачей напряжения U_у= 0 стабилизатор переводится в рабочее состояние.

Рассмотренные ИСН можно использовать в стабилизаторах с повышенным током нагрузки. Для этого используется подключение между входом и выходом микросхемы мощных или составных транзисторов. В этом случае интегральный стабилизатор используется только для управления мощным регулирующим элементом РЭ. Через внешний регулирующий элемент проходит ток нагрузки, значительно превышающий допустимый ток микросхемы.

Существенным недостатком ИСН с регулируемым выходным напряжением является то, что их использовании необходимо установить ряд внешних элементов, масса которых значительно больше массы микросхемы. Дальнейшим совершенствованием ИСН является разработка микросхем с фиксированным выходным напряжением, выполненных по принципу «Стабилизатор в стабилизаторе». Типовая схема включения ИСН такого типа показана на рис. 8.

Введение конденсатора С_вхв этом случае вызвано необходимостью устранения высокочастотной генерации при включении питания.

3. Описание лабораторной установки

Полная принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 9. Подача напряжения на схему производится ключом S1.

Стабилизатор питается от регулируемого выпрямителя, величина выходного напряжения которого устанавливается с помощью переменного
резистора. Ключ S2 используется для подключения исследуемой схемы: в положении 1 - параметрического стабилизатора; в положении 2 - компенсационного стабилизатора. Параметрический стабилизатор включает в себя гасящий резистор R_г1 и стабилитрон VD1.

4. Методические указания

1. ВНИМАНИЕ. Переключение исследуемых схем производить при выключенном ключе S1.

, где DU_d =(U_макс-U_мин)/2.

4. Перед измерением необходимо проверить калибровку осциллографа.

5. Величина коэффициента стабилизации находится по формуле (3) для середины участка стабилизации по графику U_вых =f(U_вх). Внутренние сопротивление стабилизатора определяется из нагрузочной характеристики стабилизатора по формуле (3).

5. Программа работы

1. Снять зависимость U_вых =f(U_вх) для максимального и минимального значений сопротивления нагрузки.

2. Установить U_вх в диапазон стабилизации и исследовать зависимость U_вых =f(I_вых) (нагрузочную характеристику) компенсационного стабилизатора.

3. Исследовать величину пульсаций на входе и выходе стабилизатора для нескольких токов нагрузки.

7. Контрольные вопросы

1. Принцип построения и работа компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием.

2. Работа схемы термокомпенсации.

3. Способы увеличения коэффициента стабилизации.

4. Способы увеличения тока через регулирующий элемент

5. Структура микросхемы К142ЕН1,2. Схема включения ИМС.

6. Работа схемы защиты по току к.з. в стабилизатора на основе ИМС К142ЕН1,2.

Литература

1. Китаев В.Е., Бокуняев А.А. Расчет источников электропитания устройств связи. М.: Связь, 1979. 216 с.

2. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

3. Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. М.: горячая линия – телеком, 2001.

4. Готлиб И. М. Источники питании. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. М.: Постмаркет, 2000.

5. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М: Техносфера, 2005. 603 с.

6. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон – Р, 2001.

7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С.Найвельт, К.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др.: Под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1986. 576 с.

8. Полянин К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1979. 216 с.

9. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.

Лабораторная работа №8

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение основных схем построения импульсных стабилизаторов постоянного напряжения и исследование ключевых стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией.

1. Основные сведения из теории

В импульсных стабилизаторах постоянного напряжения (ИСПН) регулирующий транзистор работает в режиме переключений. Это основное отличие ИСПН от стабилизаторов непрерывного действия. В режиме переключения транзистор большую часть периода находится в состоянии насыщения или отсечки. Поэтому значение средней мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его работе в непрерывном режиме. За счет этого ИСПН обладает высоким КПД и хорошими массогабаритными показателями.

По способу построения силовой части различают следующие виды стабилизаторов:

· стабилизаторы понижающего типа (рис. 1, а). Транзистор и дроссель включены последовательно с нагрузкой;

· стабилизаторы повышающего типа (рис. 1, б). Дроссель включён последовательно с нагрузкой, а транзистор параллельно нагрузке;

· стабилизаторы инвертирующего типа (рис. 1, в). Транзистор включён последовательно, а дроссель параллельно с нагрузкой.

Импульсные стабилизаторы содержат следующие элементы:

· VT - регулирующий транзистор;

· LC фильтр;

· VD - коммутирующий диод;

· схему управления, состоящую из СС (схемы сравнения) в которой выходное напряжение сравнивается с опорным и разница усиливается, и импульсного элемента ИЭ, который преобразует постоянное напряжение в прямоугольные импульсы.

По способу регулирования напряжения стабилизаторы делятся на 3 группы:

· с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ);

· с частотно - импульсной модуляцией (ЧИМ);

· с релейным регулированием.

Принцип работы стабилизатора с широтно - импульсной модуляцией.

При подаче входного напряжения, оно проходит на выход стабилизатора. В схеме сравнения выходное напряжение сравнивается с опорным, разница усиливается и подаётся на импульсный элемент, который преобразует это напряжение в последовательность импульсов, длительность которых задаётся напряжением с выхода схемы сравнения. Регулирующий транзистор открыт в течении действия положительного импульса. При изменении входного напряжения в первый момент времени происходит изменение напряжения на выходе и, соответственно, напряжения с выхода схемы сравнения, которая воздействуя на импульсный элемент, изменяет интервал времени, в течении которого открыт транзистор. В результате этого происходит изменение выходного напряжения до предыдущей величины (рис. 2). Период следования импульсов не изменяется.

Принцип работы стабилизатора с частотно - импульсной модуляцией.

В случае частотно- импульсной модуляции длительность импульса фиксирована, а стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт изменения частоты следования.

Принцип работы релейного стабилизатора.

В таких стабилизаторах в качестве импульсного элемента используется триггер, который управляет регулирующим элементом. При подаче входного напряжения регулирующий транзистор открыт, поэтому начинает расти выходное напряжение, соответственно, увеличивается напряжение с выхода схемы сравнения. При достижении порогового напряжения триггера он переключается и закрывает регулирующий транзистор. Выходное напряжение падает, так же уменьшается напряжение с выхода схемы сравнения. При достижении порогового напряжения триггера он вновь переключается и открывает регулирующий транзистор. Выходное напряжение вновь увеличивается, процесс повторяется.

Наибольшее распространение нашли стабилизаторы с ШИМ и релейным регулированием. Далее будем рассматривать работу стабилизаторов с ШИМ.

Принцип работы понижающего стабилизатора напряжения
(рис. 1. а).

В интервале (0-t_и) рис. 3 присутствует сигнал управления, регулирующий транзистор открыт, к диоду прикладывается обратное напряжение - он закрыт. Через регулирующий транзистор протекает нарастающий ток, который равен току индуктивности, индуктивность накапливает энергию. В интервале (t_и-Т) отсутствует сигнал управления, регулирующий транзистор закрыт, диод открыт, ток протекает по цепи VD – L – Rн – VD. Ток вентиля равен току индуктивности. Вентиль открывается напряжением, которое формируется самоиндукцией дросселя, ток в дросселе падает – индуктивность отдает накопленную энергию в нагрузку. В следующем интервале времени (Т+tи) - вновь открывается регулирующий транзистор и процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно разности входного и выходного напряжений (U_кэ=U_вх-U_вых)

Среднее значения напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

. (1)

, (2)

где t_и/T=γ, γ – коэффициент заполнения или скважность. Тогда

. (3)

Принцип работы стабилизатора напряжения повышающего типа (рис. 1. б).

При подаче входного напряжения, в первый момент времени, выходное напряжение будет равно входному пока регулирующий транзистор закрыт. После открытия транзистора (0-t_и) рис. 5 к коммутирующему диоду прикладывается напряжение обратной полярности, равное выходному. Ток регулирующего транзистора равен току индуктивности, в индуктивности накапливается энергия. Напряжение на нагрузке формируется током разрядки конденсатора. После закрытия транзистора (t_и-Т) открывается диод, к нагрузке прикладывается сумма входного напряжения и ЭДС самоиндукции дросселя. К транзистору в закрытом состоянии прикладывается выходное напряжение. С приходом следующего импульса процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно выходному напряжению (U_кэ=U_вых).

Среднее значения напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

, (4)

, (5)

. (6)

Принцип работы стабилизатора напряжения инвертирующего типа (рис. 1. в).

При подаче импульса управления транзистор открывается (0-t_и) рис. 7, к индуктивности прикладывается напряжение равное входному. Через транзистор и индуктивность начинает протекать ток, накапливая в дросселе энергию. К вентилю прикладывается обратное напряжение, он находится в закрытом состоянии. Напряжение на нагрузке формируется за счёт разрядки конденсатора С на нагрузку.

После запирания транзистора (t_и-Т) полярность на индуктивности изменится на противоположную, она становится источником энергии. Индуктивность разряжается на нагрузку через открывшийся вентиль по цепи L – Rн – VD - L. С приходом следующего импульса процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно суме входного и выходного напряжений (U_кэ=U_вх+U_вых).

Среднее значения напряжения на индуктивности за период равно нулю, поэтому:

, (7)

. (8)

В импульсных стабилизаторах напряжения мощность в регулирующем транзисторе состоит из трёх компонентов:

· мощность насыщения Рнас. Это мощность, выделяемая в транзисторе в режиме насыщения,

, (9)

где I_к_max - амплитуда тока, протекающего через транзистор;

U_кн - падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения;

f- частота следования импульсов;

tи- длительность импульса управления.

· мощность, выделяемая в режиме отсечки,

, (10)

где U_кэ - напряжение на закрытом транзисторе;

I₀ - ток, протекающий через закрытый транзистор.

· потери мощности в транзисторе во время его открывания и закрывания (во время коммутации). Диаграммы этих процессов приведены на рис. 9. Исходя из них примем, что в момент включения

тогда потери на включение

. (11)

Таким образом, во время включения транзистора мощность оказывается прямо пропорциональна частоте следования импульсов, входному напряжению и времени фронта (оно определяется частотными свойствами транзистора).

Мощность, рассеиваемая во время выключения, определяется аналогично:

, (12)

где t_с – время выключения транзистора.

Отсюда, коммутационные потери мощности в транзисторе определяются по формуле:

Р_к=Р_ф+Р_с= . (13)

Способы формирования импульсного управления с ШИМ.

Наибольшее распространение получили способы, использующие пилообразное напряжение для изменения длительности импульсов управления.

· Изменение заднего фронта импульса управления (рис. 10, а). Импульс управления начинает формироваться в момент начала пилы и заканчивается при превышении пилой уровня сигнала рассогласования.

· Регулировка длительности импульса с изменением переднего фронта (рис. 10, б). Импульс управления начинает формироваться в при снижении пилы ниже уровня сигнала рассогласования и заканчивается в момент окончания пилы.

· Комбинированный способ (рис. 10, в). Импульс управления начинает формироваться при превышении пилой уровня сигнала рассогласования и заканчивается при снижении пилы ниже уровня сигнала рассогласования.

Современная электронная промышленность предлагает ШИМ контроллеры - устройства для управления регулирующими транзисторами, включающие в себя СС и ИЭ (UC3842, UC2573), а также импульсные стабилизаторы в интегральном исполнении, в которых встроен регулирующий транзистор и коммутирующий диод (К1156ЕУ1 или ее аналог μА78S40). Принцип работы ШИМ контроллеров следующий.

ШИМ контроллер UC2573 предназначен для управления p-канальным ключом в схеме понижающего стабилизатора напряжения(рис. 11). Поэтому во время рабочего цикла на его выходе присутствует низкий уровень сигнала, отпирающий транзистор (рис. 12). К 7 выводу подключается конденсатор определяющий период формирования пилообразного напряжения и, соответственно частоту работы стабилизатора. По заднему фронту пилы генератор вырабатывает короткий импульс устанавливающий выходной триггер в «0». Во время действия этого импульса на выходе присутствует (через схему логического сложения) неактивный высокий уровень, запирающий ключевой транзистор. Длительность этого импульса называют «мертвым временем» микросхемы, в течении этого времени не происходит стабилизация. Поэтому рабочий цикл должен выбираться меньше длительности периода пилы на 10%. По окончании этого импульса начинается формирование следующего импульса пилы и выход контроллера переводится в активное состояние.

На отрицательный вход усилителя ошибки 1 поступает сигнал обратной связи с выхода стабилизатора. Делитель R2-R3 должен обеспечивать на входе усилителя ошибки напряжение 1,5 В

. (14)

Между выходом усилителя ошибки 2 и его входом включен резистор обратной связи R4 который задает коэффициент усиления. Коэффициент усиления по отрицательному входу

, (15)

коэффициент усиления по положительному входу

. (16)

Сигнал на выходе усилителя ошибки

. (17)

Далее сигнал с усилителя ошибки поступает на инвертирующий вход ШИМ компаратора, на положительный вход которого подано напряжение пилы. Пока напряжение пилы меньше сигнала с усилителя ошибки на выходе ШИМ компаратора присутствует «0». Как только напряжение пилы станет больше сигнала усилителя ошибки (рис. 12) ШИМ компаратор переключается в «1», которая поступает на вход S триггера и переключает его в «1». Соответственно и выход контроллера переключается в неактивный уровень, транзистор выключается. Чем больше напряжение на отрицательном входе усилителя ошибки, тем меньше сигнал на его выходе, быстрее переключается в «1» компаратор, короче сигнал управления транзистором и ,соответственно, меньше энергии передается в нагрузку.

В ШИМ контроллере UC2573 предусмотрена защита по току. На вход 3 с резистора R1, который является датчиком тока, подается напряжение. Оно поступает на инвертирующий вход компаратора тока, на не инвертирующий вход которого подано напряжение U=Еп-0,43 В. В начальный момент времени напряжение на датчике тока равно Еп. Когда транзистор открывается (ток через дроссель увеличивается) напряжение на датчике тока начинает уменьшаться (рис. 12). Если напряжение на датчике тока не достигает значения Еп-0,43 В, то контроллер продолжает функционировать в нормальном режиме. Если напряжение на датчике тока достигло значения Еп-0,43 В, компаратор тока переключается в «1», триггер устанавливается в «1», на выходе устанавливается неактивный высокий уровень. Транзистор закрывается, энергия в нагрузку не передается.

Стабилизатор питается выпрямленным отфильтрованным напряжением. Входное напряжение подается на 4 вывод контроллера. Далее оно поступает на модуль выработки внутренних напряжений (МВВН), который формирует внутренние опорные источники и внешний источник опорного напряжения Еоп=3 В. При снижении входного напряжения ниже определенного уровня МВВН переведет выход микросхемы в неактивное состояние.

Если на вход усилителя ошибки подать напряжение выше 2,2 В МВВН переведет выход контроллера в неактивное состояние, а микросхему в режим экономного потребления энергии (SLEEP режим).

Релейный стабилизатор напряжения.

Схема релейного стабилизатора представлена на рис. 13.

Схема состоит из следующих элементов:

· VTр – регулирующий транзистор;

· VT1 – VT2 – R1 – R2 – R5 – R6 – R7 – триггер Шмидта;

· VD1 – L – C – фильтр;

· VD2 – стабилитрон, источник опорного напряжения;

· R8 – R9 – выходной делитель напряжения.

В исходном состоянии открыт транзистор VT1, так как на его базу подаётся положительное напряжение с делителя R1 – R2. Этот транзистор открывает регулирующий транзистор VTр, через который протекает ток базы I_б=U_вх/(R4+R5). Транзистор VT2 и диод VD1 закрыты. Так как регулирующий транзистор открыт, к фильтру прикладывается входное напряжение. Выходное напряжение начинает расти , что приводит к росту напряжения на резисторе R9. После того как это напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD2, через него потечёт ток, который увеличит напряжение на резисторе R6. По мере роста выходного напряжения напряжение на резисторе R6 будет расти, до тех пор пока не превысит напряжения на резисторе R5. После этого ток базы регулирующего транзистора становится равным нулю и транзистор закроется. За счёт ЭДС самоиндукции дросселя открывается диод VD1, ток дросселя замыкается через этот вентиль. Выходное напряжение начинает уменьшаться. После того как напряжение на R6 станет меньше напряжения на R5, закроется транзистор VT2, откроется VT1 и регулирующий транзисторы, процесс повторится.

При увеличении входного напряжения возрастает скорость нарастания тока, что приводит к уменьшению интервала времени, в течение которого открыт регулирующий транзистор. Это приводит к уменьшению выходного напряжения до исходной величины.

При росте тока нагрузки увеличивается скорость спада выходного напряжения. Это приводит к уменьшению времени, в течении которого закрыт регулирующий транзистор.

2. Методика выполнения лабораторной работы

· Лабораторная работа выполняется на ПК в среде Micro Cap-8 (MC-8). В работе проводится исследование импульсного ШИМ стабилизатора понижающего типа. Принципиальная схема приведена на рис. 14. Управление силовым транзистором VT, выполненного по технологии MOSFET, осуществляет ШИМ контроллер D1. Он имеет следующие выводы:

- FB – отрицательный вход усилителя ошибки, на положительный вход этого усилителя подано опорное напряжение 2,5 В;

- Comp – выход усилителя ошибки;

- Imax – вход компаратора, отключающего выход при превышении током нагрузки максимального заданного значения. На второй вход компаратора подано опорное напряжение 2,5 В;

- Out – выход, на котором формируются импульсы управления регулирующим транзистором;

- GND – вывод подключения земли.

Инвертор D2 обеспечивает необходимую закономерность изменения ширины импульса для управления p – канальным транзистором. D3 осуществляет функции драйвера (имеет большой выходной ток, максимальное выходное напряжение равно напряжению на истоке транзистора). Кроме того, данная микросхема позволяет разделить входные импульсы на 2 канала, задержанные между собой. С ее помощью создают синхронные стабилизаторы напряжения (вместо коммутирующего диода устанавливается n – канальный транзистор, которым управляет второй канал микросхемы).

Делитель напряжения Rup – Rlow передает выходное напряжение на вход усилителя ошибки. Демпфирующие цепочки R1 - C1, R2 - C2 совместно с Cf удерживают схему от возбуждений. R_C и R_L имитируют паразитные сопротивления выходной емкости и накопительного дросселя.

· На вход стабилизатора подключены два источника напряжения. Постоянный источник обеспечивает питание стабилизатора, а переменный имитирует наличие на входе стабилизатора пульсации с частотой 50 Гц.

· Форма напряжений и токов контролируется средствами МС – 8.

· Для расчета коэффициента стабилизации и КПД использовать следующие формулы

К_ст= ; ,(18)

где P_вых и I_VT (максимальный и минимальный ток через транзистор) измеряются средствами МС – 8, U_вх – напряжение постоянного источника питания.

3. Программа работы

1. Установить входное напряжение постоянного источника 10 В и сопротивление нагрузки 1 Ом, удалить из схемы источник переменного напряжения. Зарисовать осциллограммы напряжения на затворе транзистора, на фильтре, на транзисторе, на вентиле и на нагрузке. Зарисовать осциллограммы тока через транзистор, через вентиль и через дроссель. Определить частоту преобразования.

2. Снять зависимости γ=f(U_вх) для трех значений U_вх: 10 В, 12 В, 15 В и γ=f(R_н) По результатам измерений построить графики зависимостей.

3. Определить коэффициент стабилизации. Для этого установить на вход стабилизатора переменный источник напряжения в соответствии со схемой, снять осциллограмму напряжения на нагрузке, установив следующие пределы: по оси x(0.02, 0, 0.001), по оси y(5.03, 4.97, 0.001). Выделить на нагрузке пульсацию 50 Гц и измерить ее амплитуду. После этого по формуле (18) рассчитать коэффициент стабилизации.

4. Рассчитать КПД стабилизатора для U_вх=12 В.

5. Рассчитать значения Rup и Rlow при которых выходное напряжение будет равно 7 В.

4. Контрольные вопросы

1. Типы стабилизаторов.

2. Принцип работы стабилизатора с ШИМ.

3. Принцип работы релейного стабилизатора.

4. Импульсный ШИМ стабилизатор понижающего типа.

5. Импульсный ШИМ стабилизатор повышающего типа.

6. Импульсный ШИМ стабилизатор инвертирующего типа.

7. Способы формирования импульсов управления с ШИМ.

Литература.

1. Китаев В. Е., Бокуняев А. А. Расчет источников электропитания устройств связи. М.: Связь, 1979. 216 с.

2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

5. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М: Техносфера, 2005. 603 с.

6. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон – Р, 2001.

7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др.: Под ред. Г. С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986. 576 с.

Лабораторная работа №9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение методов преобразования постоянного напряжения в переменное и процессов протекающих в схемах преобразователей, а также исследование схемы преобразователя постоянного напряжения с нулевой точкой.

1. Некоторые сведения из теории

Проблема гальванической развязки выходного напряжения источника питания от потенциала питающей сети и достижения необходимого уровня напряжения на нагрузке решается с помощью трансформатора. Простейшим решением является включение трансформатора в качестве первичного звена источника питания непосредственно в сеть питания (рис. 1). Здесь:

· Тр – трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку и уровень выходного напряжения;

· В – выпрямитель, обеспечивающий выпрямление переменного напряжение;

· Ф – фильтр, преобразующий выпрямленное пульсирующее напряжение в постоянное;

· Ст – стабилизатор, стабилизирует выходное напряжение на заданном уровне.

Питание трансформатора происходит от промышленной питающей сети переменного напряжения с частотой 50/400 Гц. Размеры сердечника, а соответственно и массогабаритные показатели трансформатора велики. С ростом выходной мощности они только увеличиваются и являются основным ограничивающим фактором при снижении массы и габаритов всего источника питания.

Для снижения габаритов трансформатора необходимо проводить передачу напряжения на выход источника на более высоких частотах. Для этих целей используют преобразователи постоянного напряжения в переменное. Современные источники работают на частотах преобразования от десятков килогерц до нескольких сотен килогерц. На таких частотах современные магнитные материалы (ферриты и пермоллои) имеют размеры, позволяющие создавать трансформаторы, сравнимые по размерам с остальными элементами схемы. Такие источники питания имеют схему, показанную на рис. 2.

Сетевое напряжение выпрямляется В1, фильтруется Ф1, стабилизируется (при необходимости) стабилизатором Ст1. Затем полученное постоянное напряжение преобразуется в переменное преобразователем Пр и передается с помощью трансформатора в выходную часть источника питания. Если в нагрузку необходимо передать переменное напряжение то она подключается непосредственно на выход трансформатора. А если в нагрузку необходимо передать постоянное напряжение то на выход трансформатора подключается выпрямитель В2, фильтр Ф2 и (при необходимости) стабилизатор Ст2. Нагрузка подключается к выходу стабилизатора. В схемах современных источников питания могут присутствовать как оба стабилизатора (Ст1 и Ст2), так и только любой из них (или Ст1 или Ст2). Кроме этого стабилизатор и преобразователь могут совмещаться в одном блоке схемы (рис. 3). В этом случае модулированный сигнал управления подается непосредственно на управляющие электроды ключевых элементов преобразователя.

Преобразователи постоянного напряжения предназначены для питания радиоэлектронного оборудования от сети переменного тока.Преобразователи, которые осуществляют преобразование постоянного напряжения в переменное называются инверторами. Преобразователи постоянного напряжения в постоянное различной величины называют конверторами.

Процесс преобразования постоянного напряжения в переменное заключается в периодическом подключении источника питания к нагрузке с помощью ключей. Различают однотактные и двухтактные преобразователи напряжения. В однотактных преобразователях энергия от сети потребляется в течение одного такта из двух, а во время второго такта энергия в нагрузку не передается (существует пауза). В двухтактных преобразователях потребление энергии происходит в течение двух тактов. Также преобразователи напряжения бывают однофазными и многофазными, регулируемыми и нерегулируемыми, со стабилизацией и без.

Для получения максимального КПД ключи, использующиеся в преобразователях, должны обладать возможно меньшим сопротивлением в режиме насыщения и максимально возможным в режиме отсечки.

Транзисторные инверторы (ТИ). ТИ делятся на инверторы с самовозбужденем и с независимым возбуждением. Инверторы с самовозбужденем представляют собой автогенераторы с трансформаторной положительной обратной связью (ПОС). Инверторы с независимым возбуждением содержат усилитель мощности и задающий генератор(ЗГ) в качестве которого обычно используются специализированные интегральные микросхемы, так называемые импульсные драйверы.

Двухтактные преобразователи напряжения

Двухтактный инвертор с выводом средней точки трансформатора (рис. 4). Инвертор состоит из силового трансформатора с обмотками ОС - Т, двух коммутирующих транзисторов - VT1, VT2 и делителя напряжения – R1, R2. Обмотки ОС включены таким образом, чтобы обеспечивалась ПОС.

Принцип работы схемы заключается в следующем. При подключении входного напряжения к базам обоих транзисторов, через резисторы R1, R2 и обмотки ОС, прикладывается положительное напряжение, отпирающее их. Параметры транзисторов отличаются друг от друга (так как не возможно создать 2 полупроводниковых кристалла с абсолютно идентичными параметрами), поэтому ток коллектора одного из них будет больше (например VT1). По этой причине напряжение, прикладываемое к обмотке трансформатора на которую работает этот транзистор (I), будет больше, чем напряжение прикладываемое ко второй обмотке (II). Это напряжение наводит повышенную ЭДС в обмотке ПОС (I^’), которая подаётся на базу открывающегося транзистора в прямом направлении (положительная), а но базу другого в обратном направлении (отрицательная). Первый транзистор открывается еще сильнее. Ещё большее напряжение прикладывается к обмотке трансформатора, подключённой к коллектору этого транзистора, и ещё большая ЭДС наводится в обмотке ПОС VT1. Это приводит к лавинообразному отпиранию первого ключа и запиранию второго (на рис. 5 точки 1 – 2).

После отпирания транзистора VT1, к его обмотке прикладывается напряжение, равное напряжению источника питания. Через него протекает ток коллектора

, (1)

где , ток нагрузки, пересчитанный в первичную цепь;

n – коэффициент трансформации трансформатора;

- ток намагничивания.

Эквивалентная схема коллекторной цепи для случая, когда VT1 открыт и насыщен представлена на рис. 6. Здесь - сопротивление нагрузки пересчитанное в коллекторную цепь.

Лавинообразное переключение транзисторов заканчивается в точке 2 на диаграммах (рис. 5). С этого момента времени начинается процесс перемагничивания сердечника трансформатора. К моменту времени, обозначенному на диаграммах точкой 3, сердечник намагничивается и начинается процесс его насыщения. Переключение транзисторов происходит за счёт насыщения сердечника трансформатора.

После насыщения сердечника резко падает индуктивность намагничивания, что приводит к росту тока намагничивания и, соответственно, к увеличению тока коллектора iк. Он начинает ограничиваться током базы , так как в течении времени когда транзистор насыщен, напряжение на обмотке ПОС остается неизменным. Рост тока коллектора при неизменном токе база переводит транзистор в активную область работы. На его коллекторе увеличивается падение напряжения, уменьшается напряжение на обмотке трансформатора, подключённой к коллектору этого транзистора. Уменьшается напряжение ОС, что приводит к ещё большему запиранию транзистора VT1.

Падение коллекторного тока приводит к уменьшению магнитного потока, а (w₂ – число витков обмотки трансформатора, подключённой к коллектору транзистора, Еп – напряжение источника питания) и смене полярности напряжения ОС, из – за чего VT1 запирается, а VT2 – отпирается.

С этого момента времени , VT1 – закрыт, VT2 – открыт и насыщен.

К обмотке трансформатора напряжение прикладывается в обратной полярности, сердечник трансформатора начинает перемагничиваться от +Фs до –Фs. При достижении насыщения сердечника вновь происходит лавинообразное переключение транзисторов, теперь VT1 открывается, а VT2 – закрывается.

Расчёт частоты преобразования ведется исходя из скорости изменения магнитного потока.

, , ,

. (2)

Здесь U_кн – напряжение насыщения; U_R – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки трансформатора.

К недостаткам донной схемы можно отнести следующее:

1. частота, с которой работает преобразователь, зависит от напряжения источника питания (2);

2. большие потери мощности во время переключения транзисторов из-за бросков коллекторного тока;

3. напряжение коллектор – эмиттер закрытого транзистора больше удвоенного напряжения источника питания (в момент выключения транзистора на индуктивности рассеяния трансформатора наводится ЭДС самоиндукции, которая формируется в виде броска напряжения на диаграмме напряжения).

От этих недостатков избавлен преобразователь напряжения с коммутирующим трансформатором.

Преобразователь напряжения с коммутирующим трансформатором (рис. 7).

В состав схемы входят: Т1 – выходной силовой трансформатор (работает без насыщения сердечника); Т2 – коммутирующий трансформатор, работающий с насыщением сердечника.

Переключение транзисторов происходит при насыщении сердечника коммутирующего трансформатора Т2. В этом случае падает индуктивность намагничивания и растёт ток, протекающий через обмотку ОС и резистор R5. Это приводит к росту падения напряжения на R5 и уменьшению напряжения на базе открытого транзистора. Этот транзистор начинает закрываться, что, благодаря положительной ОС, приводит к лавинообразному процессу запирания этого транзистора и отпиранию закрытого транзистора. Бросков коллекторного тока в этой схеме нет, так как отсутствует насыщение сердечника силового трансформатора. За счёт этого КПД схемы с коммутирующим трансформатором больше по сравнению со схемой с выводом средней точки трансформатора. Частота следования импульсов рассчитывается аналогичным образом, но расчет ведется для коммутирующего трансформатора. За счет более высокого КПД этот преобразователь работает на большую мощность.

Преобразователь напряжения с индуктивностью в цепи эмиттеров рис. 8.

Получается из схемы двухтактного инвертора с выводом средней точки трансформатора путем вынесения ограничивающего резистора в базовую цепь и введения в цепь эмиттера дросселя. Эта схема предназначена для увеличения КПД преобразователя. Принцип работы тот же. Коммутация транзисторов происходит во время насыщения сердечника трансформатора. Это приводит к резкому росту тока коллектора открытого транзистора. На индуктивности, включённой в цепь эмиттера этого транзистора , возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения тока коллектора или величине индуктивности.

. (3)

Полярность напряжения на индуктивности способствует запиранию транзистора, так как положительное напряжение приложено к эмиттеру, а отрицательное к базе открытого транзистора, т.е. напряжение база-эмиттер уменьшается. Это способствует уменьшению амплитуды коллекторного тока, и, соответственно, росту КПД. Диод VD предназначен для того, чтобы предотвратить бросок напряжения обратной полярности на индуктивности в момент уменьшения тока через неё.

Инверторы с независимым возбуждением.

Такой инвертор состоит из силовой части, которая называется усилитель мощности, и генератора задающих импульсов, в качестве которого может использоваться инвертор с самовозбуждением. В современной силовой электронике в качестве задающих генераторов используют специальные микросхемы – драйверы. Они содержат в себе саму задающую схему, схему предусиления и схемы выполняющие дополнительные функции.

Существует три схемы: преобразователь с выводом средней точки трансформатора, мостовая схема и полумостовая схема.

Преобразователь с выводом средней точки трансформатора рис. 9. Транзисторы управляются внешним задающим генератором (ЗГ). Работают поочерёдно. Если первый транзистор открыт и насыщен, то второй находится в режиме отсечки. Когда VT1 открыт, то к w1 прикладывается напряжение источника питания Еп, и в нагрузке формируется импульс напряжения. При переключении транзисторов VT1 закрывается, VT2 открывается и напряжение источника питания прикладывается к w1´. На нагрузке формируется импульс противоположной полярности.

Из–за того, что в базе открытого транзистора накапливается избыточный заряд, длительность импульса тока транзистора будет больше тока, протекающего через базу транзистора. Поэтому в момент переключения транзисторов, с приходом положительного отпирающего импульса на закрытый транзистор, он открывается, через него начинает протекать ток коллектора. В это время первый, закрывающийся транзистор, также проводит ток, в течение времени рассасывания зарядов в базе. Такой режим называется режимом сквозного тока. Ток в этом случае накоротко протекает от источника питания через транзисторы. Это приводит к броску коллекторного тока и снижению КПД (за счет увеличения потерь на коммутацию).

Для устранения этого недостатка (в качестве одного из методов) используются дополнительные обмотки ОС, которые препятствуют открыванию транзистора до тех пор пока не произойдёт рассасывание зарядов в базе закрывающегося транзистора. Пусть VT1 открыт импульсом положительной полярности с задающего генератора. В этом случае VD1 закрыт, ток протекает через R1 и базу VT1. Через R2 отрицательное управляющее напряжение подаётся наVT2 и он закрыт. В момент запирания VT1, когда на его базу подаётся напряжение отрицательной полярности с задающего генератора, этот транзистор будет продолжать проводить ток из–за избыточного заряда в базе. Транзистор VT2 не откроется не смотря на то, что на его базу подаётся импульс положительной полярности с задающего генератора. Передача напряжения в нагрузку и обмотку ОС идет от обмотки w1, на катоде VD2 присутствует отрицательное напряжения, а на аноде положительное, происходит отпирание VD2 и с обмотки ООС к базе транзистора прикладывается отрицательное напряжение.

Транзистор VT2 находится в закрытом состоянии всё время пока не закроется VD2.

К коллектору закрытого транзистора прикладывается удвоенное напряжение источника питания. Средний ток через транзистор равен половине тока нагрузки, пересчитанного в первичную обмотку.

Мостовой преобразователь напряжения рис. 10.

Работа схемы заключается в следующем. Ключи управляются от внешнего ЗГ, транзисторы открыты попарно. Если VT1, VT3 – открыты, тогда VT2, VT4 – закрыты, и наоборот. На нагрузке формируются импульсы напряжения прямоугольной полярности с амплитудой источника питания пересчитанной во вторичную обмотку.

В этой схеме также протекают сквозные токи. Пусть VT1 и VT3 изначально открыты. При смене полярности импульса управления открываются VT2 и VT4, а через VT1 и VT3 продолжает протекать ток, который обусловлен рассасыванием избыточного заряда в базах этих транзисторов. Таким образом на интервале времени рассасывания зарядов открытыми являются все четыре транзистора. Сквозной ток ограничивается только током базы тех транзисторов на которые подано управляющее напряжение, наблюдается бросок коллекторного тока (рис. 11, а).

Для борьбы со сквозными токами можно применять схему, содержащую дополнительные обмотки обратной связи (как в схеме рис. 9). Однако в современной силовой электроники используют другой метод. Задающий генератор формирует паузу между импульсами управления (такая пауза называется защитным интервалом), подающимися на транзисторы (рис. 11, б). В этом случае, вторая пара транзисторов открывается после того, как произойдет частичное или полное рассасывание зарядов в базах ранее открытых транзисторов, т.е. после их частичного или полного запирания. Существующие драйверы производятся как с фиксированным временем паузы, так и с перестраиваемым.

К коллекторам закрытых транзисторов прикладывается напряжение источника питания. Мостовая схема используется в мощных преобразователях.

Полумостовой преобразователь напряжения рис. 12.

В такой схеме защитный интервал времени обязательно должен быть больше времени рассасывания зарядов, чтобы на интервале рассасывания зарядов отсутствовал сквозной ток.

Принцип работы заключается в следующем. Конденсаторы заряжены до напряжения Еп/2. Транзисторы включаются поочерёдно, работают в ключевом режиме и обеспечивают подключение конденсаторов к первичной обмотке трансформатора. На ней формируются двуполярные импульсы напряжения с амплитудой равной половинному напряжению источника питания. Максимальное напряжение на коллекторе транзистора Uкm равно напряжению источника питания. Резисторы R1 и R2 имеют одинаковый номинал и предназначены для выравнивая напряжения на конденсаторах.

Недостаток данной схемы заключается в большом токе через конденсаторы в момент коммутации транзисторов.

В некоторых случаях эффективней использовать однотактные схемы преобразования.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1934; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!