Однотактные преобразователи напряжения
Различают:
-однотактные преобразователи с обратным включением диода;
-однотактные преобразователи с прямым включением диода.
К достоинствам однотактных схем преобразования относятся:
· простота схемы;
· минимальное количество элементов;
· простота схемы управления.
Основные недостатки:
· подмагничивание сердечника трансформатора, за счет того, что ток через трансформатор протекает только в одном направлении. Это влечет за собой небольшой диапазон изменения индукции и плохое использование трансформатора;
· большие габариты фильтра, так как используется однополупериодная схема выпрямления.
Однотактный преобразователь напряжения с обратно включённым диодом (обратноходовой преобразователь) рис. 13.
Преобразователь работает следующим образом. Схема управления задаёт частоту следования импульсов и интервал времени, в течении которого открыт транзистор. Транзистор, работая в ключевом режиме, подключает обмотку w1 к источнику питания на время действия tи и отключает её в паузе 
между импульсами Т – tи (рис. 15). Во время действия импульса диод закрыт (эквивалентная схема рис. 14), к w1 приложено напряжение питания. В индуктивности намагничивания сердечника накапливается электромагнитная энергия. Через нагрузку протекает ток разрядки конденсатора С. На этом этапе ( во время действия импульса) энергия от источника питания не передаётся в нагрузку, трансформатор выступает в роли индуктивности, в которой накапливается энергия. Для того, чтобы сердечник не насыщался, он выполняется с немагнитным зазором. При закрывании транзистора напряжение на обмотке трансформатора изменяет свою полярность на противоположную скачком. Выпрямительный диод открывается и энергия, накопленная в индуктивности, отдаётся в нагрузку и конденсатор фильтра. Энергия от источника питания на этом этапе не потребляется.
|
|
|
Расчет напряжения на нагрузке проводится исходя из того, что напряжение на индуктивности намагничивания трансформатора во время действия управляющего импульса равно напряжению на ней во время паузы.
(4)
здесь Еп – напряжение источника питания, tи – длительность управляющего импульса, Т – период следования импульсов управления, Uн - напряжение на нагрузке, n – коэффициент трансформации. Отсюда:
. (5)
где γ=tи/T – коэффициент заполнения
Зависимость 
от 
представлена на рис. 16. Из нее видно, что изменяя длительность импульса управления можно регулировать амплитуду напряжения в нагрузке. Т.е. если в преобразователь добавить схему сравнения и импульсный элемент, то можно получить регулируемый стабилизированный преобразователь.
|
|
|
Приведенный (рис. 14) ток нагрузки равен току через диод и рассчитывается как
, (6)
.
Отсюда ток через индуктивность
. (7)
При расчете 
исходим из того, что ток в индуктивности изменяется линейно
,
. (8)
Для обеспечения режима непрерывного тока, необходимо выполнить условие 
. Таким образом
,
. (9)
При L>Lкр обеспечивается режим непрерывного тока в индуктивности.
Предельные параметры ключа рассчитываются следующим образом:
-максимальный ток коллектора
; (10)
-максимальное напряжение коллектор эмиттер
. (11)
Полный размах пульсаций на нагрузке
.
Отсюда
. (12)
Диаграммы в режиме прерывистого тока изображены на рис. 17. Режим непрерывного тока является предпочтительным из энергетических соображений. При одинаковой мощности в нагрузке, ток коллектора в режиме непрерывного тока меньше по сравнению с режимом прерывистого тока.
|
|
|
Однотактный преобразователь напряжения с прямым включением диода (прямоходовой преобразователь) рис. 18.
Эквивалентные схемы при открытом (а) и закрытом (б) транзисторе представлены на рис. 19.
Преобразователь работает следующим образом. Схема управления открывает транзистор на время равное tи (рис. 20). К первичной обмотке трансформатора через VT прикладывается напряжение источника питания. От источника питания энергия подаётся в нагрузку. На этом этапе VD1 – закрыт, VD2 – открыт, VD3 – закрыт. Через Lф протекает ток, который протекает через нагрузку и заряжает Сф. После запирания транзистора, напряжение на обмотке трансформатора скачком изменяет полярность на противоположную. Открывается VD1, через него протекает ток размагничивания сердечника трансформатора, энергия, накопленная в Lф, возвращается в источник питания. Во вторичной обмотке трансформатора напряжение на Lф также изменяет полярность на противоположную, ток протекающий через индуктивность замыкается через VD3.
Обмотка 
предназначена для размагничивания сердечника трансформатора.
|
|
|
Необходимо определить число витков обмоток 
и . Изменение магнитного потока в сердечнике трансформатора во время действия импульса управления
(13)
должно быть равно изменению магнитного потока в сердечнике трансформатора во время паузы
. (14)
Отсюда
, 
,
. (15)
Из энергетических соображений требуется выбирать близкий к 1, так как в этом случае энергия от источника питания потребляется в течение большего времени и требуется выходной фильтр меньших габаритов. Из (15) видно, что для обеспечения этого условия необходимо обеспечить 
. Однако уменьшение числа витков обмотки размагничивания приводит к увеличению напряжения на коллекторе ключа. Максимальное напряжение на коллекторе вычисляется как
, а 
.
Отсюда
. (16)
С учетом этих двух условий (15 и 16) выбирают 
, а 
=0,5.
Напряжение на индуктивности фильтра во время действия управляющего импульса равно напряжению на индуктивности фильтра во время паузы
. (17)
Отсюда
, 
,
. (18)
Зависимость от отношения показан на рис. 21.
Пульсация тока в индуктивности фильтра определяется как
,
, (19)
где 
- частота следования импульсов управления.
Критерием режима непрерывного тока является условие 
. Т.е.
,
. (20)
Если Lф>Lфкр через индуктивность фильтра протекает непрерывный ток.
Максимальное напряжение на коллекторе рассчитывается по формуле (16). Максимальный ток через транзистор определяется сумма тока нагрузки, приращения тока намагничивания трансформатора и приращения тока индуктивности фильтра
, (21)
.
. (22)
Амплитуды переменной составляющей на нагрузке равна
. (23)
По сравнению с обратноходовым преобразователем преобразователь с прямым включением диода используется для большей мощности в нагрузке.
Достоинство обратноходового преобразователя заключается в его простоте (минимальное количество компонентов, нет дополнительной обмотки трансформатора, нет индуктивности фильтра)и возможности работы при коротком замыкании в нагрузке (транзистор работает только на индуктивность намагничивания сердечника трансформатора, а уже она передает энергию в нагрузку).
2. Методика выполнения лабораторной работы.
· Лабораторная работа выполняется на ПК в среде Micro Cap-8 (MC-8). В работе проводится исследование прямоходового преобразователя (рис. 22), обратноходового преобразователя (рис. 23) и преобразователя с выводом средней точки трансформатора с внешним задающим генератором (рис. 24).
· В схемах прямоходового и обратноходового преобразователей 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.
Делитель напряжения Rup – Rlow передает выходное напряжение на вход усилителя ошибки. Демпфирующие цепочки R1 - C1, R2 - C2 совместно с Cf удерживают схему от возбуждений. RC и RL имитируют паразитные сопротивления выходной емкости и накопительного дросселя. Lmag и Rlm – индуктивность и внутреннее сопротивлении силового трансформатора, Lleak – индуктивность выводов дополнительной обмотки трансформатора в схеме прямоходового преобразователя. В схеме обратноходового преобразователя L – индуктивность рассеивания.
· Форма напряжений и токов контролируется средствами МС - 8.
· Для расчета коэффициента КПД использовать формулу
. (24)
3. Программа работы
1. Исследовать схему прямоходового преобразователя (рис. 22).
Зарисовать осциллограммы напряжения на затворе транзистора, на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т2, на выходном фильтре и на нагрузке. Определить частоту преобразования.
Зарисовать осциллограммы тока через Lmag, транзистор, VD2, VD3 и L.
Удалить из схемы трансформатор Т1, диод VD1 и индуктивность Lleak. Зарисовать осциллограммы напряжения на на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т2 и тока через Lmag.
2. Исследовать схему обратноходового преобразователя (рис. 23).
Зарисовать осциллограммы напряжения на затворе транзистора, на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т и на нагрузке. Определить частоту преобразования.
Зарисовать осциллограммы тока через Lmag, транзистор и VD3.
3. Исследовать схему преобразователя с выводом средней точки трансформатора (рис. 24).
Установить сопротивление нагрузки 200000 Ом, определить коэффициент трансформации.
Установить сопротивление нагрузки 10 Ом. Зарисовать осциллограммы напряжения на затворах транзисторов, на стоках транзисторов и на нагрузке. Определить частоту преобразования. Зарисовать осциллограммы тока через датчики тока.
Снять зависимость сквозного тока через транзисторы от паузы между импульсами управления Im=f(Δt) для Δt: 100, 200и 300 нс.
Снять зависимость сквозного тока через транзисторы от сопротивления нагрузки Im=f(Rн) для Rн: 5, 10, 15 Ом.
Рассчитать КПД для Rн: 5, 10, 15 Ом. Построить полученные зависимости.
4. Контрольные вопросы
1. Классификация преобразователей.
2. Преобразователь с выводом средней точки трансформатора.
3. Мостовой преобразователь.
4. Полумостовой преобразователь.
5. Причины возникновения сквозных токов и способы борьбы с ними.
6. Прямоходовой преобразователь.
7. Обратноходовой преобразователь.
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.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 4013; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!