Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

теория

.docx
Скачиваний:
6
Добавлен:
11.04.2015
Размер:
416.01 Кб
Скачать

19.Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием на низкие напряжения: принцип работы , выбор элементов, показатели качества.

Для получения малых выходных напряжений (UВЫХ <Uоп) и в случае, если требуется широкая регулировка выходного напряжения, применяется схема, приведенная на рис. 5.14. В этой схеме источник опорного напряжения подключают к минусовой шине стабили-затора, а сравнивающий делитель (Rl, Rn, R2) питается от суммарного напряжения (Uвых + Uoп). Изменение выходного напряжения влияет на напряжение UR11 на нижнем плече делителя, изменяя потенциал базы транзистора VTy, его базовый и коллекторный токи, а следовательно, напряжение база-эмиттер регулирующего транзистора VT1. Это в свою очередь ведет к изменению напряжения на его коллекторе, обеспечивая стабилизацию выходного напряжения. Так как ошибка стабилизатора ∆UВЫХ в значительной степени зависит от стабильности опорного напряжения, в схеме применяется параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD1 и полевом транзисторе VT2.Как уже отмечалось выше, основным энергетическим показате­лем стабилизаторов является КПД, для которого применительно к последовательным стабилизаторам можно записать

ŋ=Pвых/Pвх=Uвых*Iн/Uвх*Iк1

где IК1 = Iкэvt1 - ток коллектора регулирующего транзистора VT1. Так как Iн и Iк1, то ŋ= UВЫХ/UВХ.

Из приведенных выражений видно, что КПД тем больше, чем больше отношение напряжений U ВЬ1Х/UВХ.

20.Реализация схем компенсационных стабилизаторов напряжения. Элементы схем. Последовательное и параллельное включение регулирующего элемента.

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия могут быть выполнены как с последовательным, так и с параллельным включением регулирующего элемента (РЭ) относительно нагрузки.

В данных стабилизаторах любые изменения выходного напряжения в схеме сравнения (СС) сравниваются с опорным (эталонным) напряжением. При этом сигнал рассогласования с выхода СС через УПТ(усилитель постоянного тока) поступает на регулирующий элемент РЭ. В схеме с последовательным включением РЭ компенсация осуществляется за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элементе. В схеме с параллельным включением РЭ поддержание уровня выходного напряжения осуществляется за счет изменения тока в нем, в результате чего меняется падение напряжения на Rг (гасящеее сопротивление), включенном последовательно с нагрузкой.

В качестве основной элементной базы в стабилизаторах с непрерывным регулированием используют биполярные и полевые транзисторы, а также операционные усилители. Качественные параметры обеих схем примерно одинаковы.

21.Преобразователи постоянного напряжения: принцип действия, классификация, основные параметры. Однотактные преобразователи напряжения типа ПН

Преобразователем напряжения называют устройство, преобразующее электриче­скую энергию постоянного тока в электрическую энергию постоян­ного тока другого уровня напряжения или имеющую гальваниче­скую развязку выходного напряжения от источника энергии.По принципу действия различают однотактные и двухтактные преобразователи постоянного напряжения. В однотактных преобра­зователях подключение элементов преобразователя и нагрузки к ис­точнику энергии постоянного тока осуществляется один раз за пери­од с помощью одного (или двух, синхронно работающих) устройства переключения. В двухтактных преобразователях подключение к ис­точнику энергии осуществляется два раза за период с помощью как минимум двух переключающих устройств.На рис. 6.1 пред­ставлена схема однотактного преобразователя с непосредственной связью типа ПН (с понижением напряжения) .

Рассмотрим работу ОПН в установившемся режиме в предполо­жении идеальности элементов его силовой части. При переводе схе­мой управления (СУ) силового транзистора VT в режим насыщения к обмотке дросселя L будет приложено напряжение, равное разно­сти напряжений источника энергии U0 и напряжения на нагрузке ин. Под действием этого напряжения дроссель L будет запасать энергию, а ток дросселя iL, равный току стока транзистора VT, будет нарас­тать практически по линейному закону (ввиду малости переменной составляющей напряжения на нагрузке) от минимального I lmin ДО максимального ILmax значения:

(Uo-Uн)t

iL= icVT = ILmin + L

Диод VD на этом временном интервале закрыт и находится под напряжением, равным напряжению источника энергии U0. При. за­пирании транзистора VT ЭДС на зажимах обмотки дросселя меняет свой знак и обеспечивает открытие диода VD, в результате чего ра­нее запасенная дросселем энергия будет через этот диод передавать­ся в нагрузку и подзаряжать конденсатор С (до тех пор, пока ток дросселя больше тока нагрузки). На этом интервале времени к об­мотке дросселя L будет приложено напряжение, равное напряжению на нагрузке, так что ток дросселя будет спадать от ILmax до ILmin по линейному закону.Обозначив длительность открытого состояния транзистора VT через tи, а период преобразования энергии через Т, для приращения тока дросселя IL, можно записать

.

∆IL = ILmax - ILmin=где =tи/T —г относительная длительность включенного состояния транзистора VT; f = 1/Т — частота преобразования

С уменьшением индуктивности дросселя (при прочих неизмен­ных параметрах ОПН) будет увеличиваться прираще­ние тока дросселя ∆IL- При некотором значении этой индуктивности приращение тока дросселя∆IL, становится равным удвоенному зна­чению тока нагрузки Iн UH/RH. При этом ILmin становится равным нулю, а кривая тока дросселя %\, будет касаться оси времени, не имея разрывов. Такая индуктивность дросселя называется критической Lкр. Эта индуктивность определяет границу между режимами ра­боты ОПН с безразрывными (непрерывными) и разрывными токами дросселя. Согласно выше изложенному и соотношению (6.2) выраже­ние для LKp можно представить в следующем виде:

Lкр = (1-)Uн /(2Iнf). ' (6.3)

Понятно, что при неизменном среднем значении тока нагрузки, в режиме разрывных токов дросселя максимальное значение тока max оказывается существенно большим по сравнению с режимом безразрывных токов дросселя. Поэтому потери во всех элементах силовой части ОПН будут также существенно выше в режиме раз­рывных токов дросселя. Обычно в практике применения статических преобразователей для аппаратуры связи LKp рассчитывается исходя из минимального значения тока нагрузки.

В установившемся режиме работы ОПН приращение магнитного потока в дросселе должно быть за период равным нулю, а следова­тельно, среднее за период значение напряжения на зажимах дросселя ULср Для идеального ОПН, работающего в режиме непрерывных то­ков, также должно быть равным нулю. Из кривой иL рис. 6.1 следует

ULcр = (Uo-UH)*- UH(l -) = 0. (6.4)

Из последнего соотношения можно установить зависимость меж­ду напряжением на выходе идеального однотактного преобразовате­ля типа ПН и напряжением на входе. Эта зависимость называется регулировочной характеристикой. Для идеального ОПН с понижени­ем напряжения, работающего в режиме непрерывных токов дросселя, регулировочная характеристика имеет следующий вид:

Uн = <U0.

22.Однотактные преобразователи напряжения типа ПИ и типа ПВ. Однотактные преобразователи напряжения с гальванической развязкой. Принцип работы, основные параметры.

Н >

t/Т

Однотактные преобразователи типа ПИ. При подключении плюсового зажима источника энергии не к катоду диода VD, как это выполнено в схеме рис. 6.1,а, а к минусовому зажиму выходного на­пряжения, будет получен второй основной тип ОПН, который называ­етсяполярно-инвертирующим (ПИ). Схема силовой части этого ОПН и диаграмма, поясняющая его работу, представлены на рис. 6.8.Рассмотрим установившийся режим работы идеального ОПН это­го типа для случая безразрывных токов дросселя. При переводе схемой управления СУ транзистора VT в режим насыщения дрос­сель L оказывается подключенным параллельно источнику энергии U0. На интервале импульса (от 0 до ) к обмотке дросселя прило­жено напряжение U0, под действием которого он запасает энергию, а ток дросселя нарастает по линейному закону от ILminдо ILmax.Диод VD на этом временном интервале закрыт и находится под на­пряжением UH + U0. Передача энергии в нагрузку от источника отсутствует. Ток на­грузки поддерживается за счет разряда конденсатора С. При запи­рании транзистора ЭДС на зажимах обмотки дросселя меняет свой знак и обеспечивает включение диода VD. На интервале «пуазы» (от до 1,0) когда транзистор закрыт, ранее запасенная дросселем энергия передается в нагрузку и обеспечивает подзаряд конденсато­ра. Ток дросселя при этом спадает от ILmax ДО ILmin Для при­ращения тока дросселя на интервале паузы ∆Il = от ILmax-ILmin справедливо ранее записанное соотношение (6.2). Для граничного случая между режимами безразрывных и разрывных токов дросселя IL min в момент окончания периода преобразования принимает нуле­вое значение. Среднее за период значение тока диода, как показано на рис. 6.4, равно среднему значению тока нагрузки. Следовательно, для граничного случая можно записать ∆Il=2Iн/(1-).

С учетом (6.2) выражение для критической индуктивности LKp примет следующий вид: Lкр=Uн(1-)2/2Iнf

Однотактные преобразователи типа ПВ. Третий основной тип ОПН с непосредственной связью входного и выходного напряже­ний может быть получен из схемы рис. 6.8 простым переключением минусового полюса нагрузки и конденсатора С к минусовому зажи­му источника энергии Щ. Такой преобразователь называется в ли­тературе ОПН с повышением напряжения (типа ПВ). Схема силовой части этого ОПН и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 6.9.На интервале импульса, когда транзистор VT находится в ре­жиме насыщения, дроссель оказывается подключенным к источнику энергии U0 и запасает энергию. Ток дросселя, равный на этом вре­менном интервале току транзистора, будет нарастать по линейному закону от ILmax ДО ILmin При этом, как и в случае ОПН типа ПИ, передача энергии от источника в нагрузку отсутствует. Ток нагруз­ки поддерживается только за счет разряда конденсатора С. Диод VD закрыт и находится под напряжением, равным напряжению нагрузки Uн. При запирании транзистора когда напряжение на нем превысит напряжение на нагрузке, т.е. когда ЭДС самоиндукции обмотки дрос­селя превысит величину, равную (UН — Uо), открывается диод VD и ранее запасенная дросселем энергия совместно с энергией, потребля­емой от источника U0 будут обеспечивать питание нагрузки и под­заряд конденсатора С. Для идеального ОПН типа ПВ, работающего в режиме безразрывных токов дросселя, регулировочная характери­стика будет иметь следующий вид: Uн = U0/(1-) Из рис. 6.8 и 6.9 следует, что временные диаграммы токов диода VD для ОПН типа ПИ и типа ПВ совпадают. Однако отдача ранее накопленной дросселем энергии осуществляется в последнем преоб­разователе при напряжении на его зажимах равном U„ — Uq, а не при напряжении, равном Un, поэтому выражение для критической индуктивности будет иметь вид: Lкр=Uн(1-)2/2Iнf

Однотактные преобразователи напряжения с гальванической развязкой между источником энергии и нагрузкой находят широкое применение в различных устройствах систем электропитания аппа­ратуры телекоммуникаций, в радиоэлектронной и бытовой технике. Наибольшее применение находят так называемые ОПН с прямым и ОПН с обратным включением диода.

Схема однотактного преобразователя с прямым включением ди­ода, применяющаяся при относительно низком уровне напряжения источника питания U0 (как правило, до 100 В), представлена на рис. 6.10.

Рассмотрим работу идеального преобразователя, работающего в режиме безразрывных токов дросселя L. При переводе схемой управ­ления транзистора VT в режим насыщения к первичной обмотке W1 трансформатора будет приложено напряжение источника питания U0. В результате на обмотках трансформатора появится ЭДС, по­лярность которой указана на рис. 6.10 (без скобок). Значение ЭДС на вторичной обмотки W2 трансформатора будет равным U0n21, где n21= W2 /W1 — отношение чисел витков вторичной и первичной об­моток трансформатора (коэффициент трансформации). Диод VD1 будет открыт, и напряжение, приложенное к обмотке дросселя L, под действием которого он будет запасать энергию на интервале открыто­го состояния транзистора VT, окажется равным (U0n21Uн). На этом временном интервале будет также осуществляться передача энергии в нагрузку и подзаряд конденсатора С (когда нарастающий по линей­ному закону ток дросселя превысит ток нагрузки). Диод VDP в цепи размагничивающей (рекуперацйонной) обмотки Wp трансформатора и диод VD будут закрыты. При запирании транзистора VT изменится полярность ЭДС на зажимах обмоток трансформатора, что приведет к закрытию диода VD1 и открытию диодов VD и VDP. В результате ранее запасенная дросселем L энергия через диод VD будет переда­ваться в нагрузку и обеспечивать подзаряд конденсатора С (до тех пор пока уменьшающийся ток дросселя будет больше тока нагруз­ки). Кривая напряжения на обмотке дросселя и кривая тока дрос­селя совпадают по форме с соответствующими кривыми ОПН типа ПН, представленными на рис. 6.1. Отличие заключается только в том, что на интервале импульса к обмотке дросселя L будет прило­жено напряжение, равное (U0n21Uн), а не (UoUн), как это имеет место для ОПН типа ПН. Поэтому выражение для регулировочной характеристики данного идеального преобразователя, полученное из условия равенства нулю среднего за период значения напряжения, приложенного к обмотке дросселя, в установившемся режиме рабо­ты ОПН принимает следующий вид: Uн= U0n21. Выражение (6.3) для критической индуктивности дросселя, опре­деляющей границу между режимами работы преобразователя с раз­рывными и безразрывными токами дросселя L, остается справедли­вым и для ОЦН с прямым включением диода,

23.Двухтактные преобразователи напряжения. Принцип работы, основные параметры

Двухтактные преобразователи могут быть с самовозбуждением и с независимым возбуждением. В настоящее время в основном приме­няют преобразователи с независимым возбуждением, имеющие более высокий КПД. На практике применяют три основных схемы двух­тактных преобразователей: с выводом нейтральной точки первичной обмотки трансформатора (со средней точкой), полумостовые и мосто­вые. Схема преобразователя со средней (нулевой) точкой и диаграм­мы, поясняющие ее работу, приведены на рис. 6.16. Трансформатор, входящий в состав преобразователя имеет две идентичные первич­ные обмотки с числом витков W11 = W12 W1 и две идентичные вторичные обмотки с числом витков W21 = W22 = W2.

Рассмотрим установившийся режим работы идеального преоб­разователя в случае безразрывных тогсов дросселя L при широтно-импульсном управлении транзисторами VT1 и VT2. При переводе СУ транзистора VT1 в режим насыщения к первичной обмотке Wn трансформатора будет приложено напряжение источника энергии U0 .В результате на зажимах вторичной обмотки W21 появится ЭДС Е2 с полярностью, обеспечивающей открытие диода VD1 (полярность ЭДС на зажимах обмоток трансформатора для данного момента вре­мени показана на рис. 6.16). При этом на интервале открытого со­стояния VT1 все остальные диоды и транзистор VT2 будут закрыты.

Поскольку ЭДС Е2 = U0 n21= U0W2/W1, то к обмотке дросселя L будет приложено напряжение, равное U0 n21Uн Под действи­ем этого напряжения ток в обмотке дросселя L будет нарастать до линейному закону от минимального до максимального значения, со­ответствующего моменту времени t = Т,когда СУ переведет тран­зистор VT1 в закрытое состояние.

На этом временном интервале осуществляется передача энергии в нагрузку, накопление энергии в дросселе L и подзаряд конденса­тора С1. При этом напряжение, приложенное к закрытому транзи­стору VT2, оказывается равным 2Uo. При запирании транзистора VT1 меняется полярность ЭДС на зажимах всех обмоток трансфор­матора, что приводит к запиранию диода VD1 и открыванию диода VD3. В результате к обмотке дросселя будет приложено напря­жение, равное напряжению на нагрузке, и он будет отдавать ранее запасенную энергию в нагрузку и конденсатор С1 (пока ток дросселя будет больше тока нагрузки). При этом напряжение, приложенное к закрытым транзисторам VT1 и VT2, оказывается равным напря­жению источника энергии U0, так как трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания (при отключенной первичной обмот­ки от источника энергии).

В момент t/T = 0,5 СУ переводит транзистор VT2 в открытое состояние, в результате чего первичная обмотка W12 трансформа­тора (находящегося в режиме короткого замыкания) подключается к источнику энергии. Это приводит к резкому увеличению тока в обмотках W22 и W12 трансформатора. В момент, когда ток в об­мотке W22 достигает значения тока дросселя L, начинается процесс запирания диода VD3 (в идеальном преобразователе эти процессы происходят мгновенно, как показано на рис. 6.16,б). На интервале 0,5Т < t < (0,5 +)Т транзисторVT2 открыт и находится в режи­ме насыщения, а ток дросселя .опять нарастает от минимального до максимального значения.

Регулировочная характеристика данного преобразователя имеет следующий вид: Uн = 2n21U0 (6.28)

Выражение для критического значения индуктивности LKp дрос­селя L, обеспечивающей безразрывность тока дросселя при мини­мальном значении тока нагрузки IНmin принимает для двухтактно­го преобразователя (или двух однотактных, работающих на общий фильтр) следующий вид:

(6.29)

Выражения (6.28) и (6.29) остаются справедливыми и в случае отсутствия в схеме рассматриваемого преобразователя диода VD3.

24.27.Инверторы: назначение, область применения. Принципы построения. Методы технической реализации. Инверторы напряжения с самовозбуждением.

Инвертором напряжения называют устройство, преобразующее электрическую энергию источника напряжения постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Инверторы напряжения (ИН) могут приме¬няться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры элек¬трической энергией переменного тока. Потребность в таких устройствах связана с широким внедрением в различных отраслях промыш¬ленности и бизнесе компьютерных технологий. При этом недостаточная надежность сетей переменного тока является основным ис¬точником нарушения технологического цикла производственных процессов и связана с большими экономическими рисками. По оцен¬кам специалистов ущерб от «перебоя» электрической энергии в течение одного часа в таких сферах, как финансы (брокерские опе¬рации, продажа кредитных карточек), медиа-услуги, исчисляются сотнями тысяч долларов.

Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах, информационных центрах на базе ПК при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора можно обеспечить работу компьютеров для корректного завершения решаемых задач. В более сложных и ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от неё. Детально принципы организации бесперебойного питания переменным током будут рассмотрены в гл. 9.

Кроме «самостоятельных» приложений, где инвертор выступает в качестве источника питания потребителей переменного тока, широкое развитие получили технологии преобразования энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепочке преобразователей.. Принципиальной особенностью инверторов напряжения для таких приложений является высокая частота преобразования (десятки-сотни килогерц). Для эффективного преобразования энергии на высокой частоте требуется более совершенная элементная база (полупроводниковые ключи, магнитные материалы, специализированные контроллеры).

Как и любое другое силовое устройство, ИН должен иметь вы¬сокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлимые массо-габаритные характеристики. Кроме того, ИН должен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициента гармо¬ник) и не создавать при работе недопустимый для других потребите¬лей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Работа инвертора напряжения (ИН) основана на переключении источника постоянного напряжения с целью периодического измене¬ния полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота пере¬ключения «задается» сигналами управления, формируемыми управ¬ляющей схемой (контроллером). Контроллер может также решать дополнительные задачи, связанные с регулированием напряжения, синхронизацией частоты переключения ключей, защитой их от пере¬грузок и др. Функциональная схема ИН показана на рис. 7.1.

Модуль переключения Ms преобразует напряжение постоянно¬го тока источника энергии Е в знакопеременное напряжение прямо-угольной формы с регулируемой паузой на нуле. Трансформатор в структуре обеспечивает гальваническую развязку источника энер¬гии и нагрузки, а также согласование уровней напряжения на выходе модуля переключения (u1) и нагрузки (u2). Фильтр (Ф) предназначен для снижения уровня паразитных гармоник в спектре выходного напряжения. Во многих случаях, ориентированных на электропита­ние компьютеров, фильтром подавляются только высшие гармони­ки радиочастотного спектра. Форма выходного напряжения инвер­тора при этом остается близкой к прямоугольной.

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью труппы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное на­пряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый ре­жим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах га­рантируется пропорциональность выходного напряжения, например величины его первой гармоники (U2(1)), значениям напряжения по­стоянного тока на входе (Е), конструктивного параметра схемы (К) и фактора управления (Fy): U2{1)=EKFy. (7.1)

В зависимости от конструктивного исполнения модуля переклю­чения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирова­ния управляющих воздействий*таким фактором могут быть относи­тельная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей.

Сформулируем ряд положений, определяющих методы техниче-. ской реализации инверторов и особенности их работы.

  1. Ключи инвертора должны быть управляемыми (включать­ся и выключаться по сигналу управления), а также обладать свой­ством двухсторонней проводимости тока. Как правило, такие клю­чи получают шунтированием транзисторов обратными диодами (см. разд. 2.1). Исключение составляют полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом его полупроводниковой структуры.

  2. Регулирование выходного напряжения инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. Наиболее просто регули­рование достигается изменением длительности (ширины) импульса полуволны. Такой способ (для краткости его обозначают ШИР) яв­ляется простейшим вариантом метода широтночимпульсной модуля­ции сигналов (ШИМ).

  3. Нарушение симметрии полуволн выходного напряжения по­рождает побочные продукты преобразования с частотой ниже основ­ной, включая возможность появления постоянной составляющей на­пряжения, недопустимой для цепей, содержащих трансформаторы.

  4. Для получения управляемых режимов работы инвертора, опи­сываемых уравнением (7.1), ключи инвертора и алгоритм управления ключами должны обеспечить последовательную смену структур си­ловой цепи, называемых прямой, короткозамкнутой и инверсной.

  5. Мгновенная мощность потребления p(t) пульсирует с удвоен­ной частотой. Первичный источник питания должен допускать рабо­ту с пульсирующими и даже изменяющими знак токами потребления. Переменные составляющие первичного тока определяют уровень по­мех на зажимах источника питания.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]