Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Дроссель для импульсных стабилизаторов тока

Импульсные стабилизаторы

Это стабилизаторы, в которых РЭ работает в режиме ключа (включен или выключен, отсечка или насыщение, замкнут или разомкнут) благодаря чему КПД достигает 85…95% – основное их достоинство. Недостатки импульсных стабилизаторов: высокий уровень помех, пульсаций и шумов, что требует постановки дополнительных помехоподавляющих фильтров.

Импульсный стабилизатор состоит из следующих элементов: РЭ (транзисторного ключа VT), индуктивности (накопительного дросселя L), обратного диода (VD), конденсатора фильтра (С) и схемы управления. По способу построения силовой части импульсные стабилизаторы делят на три типа:

а) понижающие – с последовательным включением РЭ, дросселя и нагрузки;

б) повышающие – с параллельным включением РЭ и нагрузки;

в) инвертирующие – с параллельным включением дросселя и нагрузки.

В зависимости от метода стабилизации выходного напряжения (метод управления ключом) стабилизаторы различают:

· ШИМ – широтно- импульсно модулированные

· ЧИМ – частотно- импульсно модулированные

Метод формирования сигнала управления ключом поясняется эпюрами рис.4.21.

Если входное напряжение стабилизатора изменяется в пределах , то при ШИМ период остаётся постоянным, изменяется длительность импульса ( tИ ), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения

(4.20)

Рисунок 4.21 – Формирование сигнала управления ключом

Поскольку выходное напряжение равно

, (4.21)

то зависимость есть регулировочная характеристика импульсного регулятора.

При ЧИМ длительность импульса остаётся постоянной, изменяется период (Т), следовательно, изменяется и коэффициент заполнения. Для переменной частоты сложно строить сглаживающие фильтры, поэтому ЧИМ менее распространена по сравнению с ШИМ.

При релейном регулировании наиболее простая схема управления (триггер Шмитта!), но здесь обязательно наличие двух порогов (UПОР1 и UПОР2) и пульсация на выходе принципиально не может быть равна нулю. Переменными являются и частота и длительность, поэтому релейное регулирование используют для управления электрическими машинами.

На практике наиболее часто применяют ШИМ.

Рассмотрим работу импульсного стабилизатора. На рисунке 4.22 приведена схема понижающего регулятора (стабилизатор с разомкнутой цепью обратной связи) без схемы управления и эпюры, поясняющие его работу.

Рисунок 4.22 – Понижающий импульсный регулятор

В этой схеме выходное напряжение (U) всегда меньше входного, поскольку не существует элементов без потерь.

Когда ключ (VT) замкнут дроссель(L) заряжается, ток коллектора нарастает. Когда ключ размыкается, дроссель разряжается в нагрузку через открытый диод (VD). Индуктивность дросселя больше критической, поэтому ток в нём не спадает до нуля. Напряжение на нагрузке также не имеет провалов до нуля и его среднее значение согласно (4.21) равно

(4.22)

Рассмотрим повышающий регулятор. Его схема и эпюры приведены на рис.4.23а,б. Когда ключ (VT) замкнут, идёт заряд дросселя ( L ), входное

Рисунок 4.23 – Повышающий импульсный регулятор

напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя (еL). Когда ключ размыкается, еL меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток дросселя и, суммируясь с UВХ, дроссель разряжается на конденсатор С. Напряжение на нагрузке превышает входное. Если суммарные потери в элементах стабилизатора не превышают 10% от мощности в нагрузке, то выходное напряжение (4.23)

Схема потребляет от источника практически постоянный ток и не создаёт обратную помеху в сеть.

Рассмотрим инвертирующий регулятор. Его схема и эпюры приведены на рис.4.24а,б.

Рисунок 4.24 – Инвертирующий импульсный регулятор

Когда ключ (VT) замкнут, идёт заряд дросселя (L), входное напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции дросселя (еL). Когда ключ размыкается, еL меняет знак на противоположный (полярность показана на рисунке) и дроссель разряжается на конденсатор С. Если общие потери в элементах не превышают 10% от мощности в нагрузке, то выходное напряжение

Читайте так же:
Импульсный стабилизатор тока lm2576

(4.24)

Схема управления импульсным регулятором приведена на рис. 4.25 и включает в себя следящий делитель(R1 R2), эталонный источник (UЭТ), усилитель сигнала рассогласования (DA1), генератор пилообразного напряжения (UГПН) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ – DA2). Последний формирует дискретный сигнал управления ключом, модулированный по длительности сигналом рассогласования (UУ). Схема управления состоит из таких же функциональных элементов, как и в непрерывном стабилизаторе, но дополнена широтно-импульсным модулятором.

Рисунок 4.25 – Схема управления импульсным регулятором

Для импульсных стабилизаторов справедливо основное уравнение (4.18), в котором коэффициент передачи следящего делителя равен

(4.25)

Коэффициент передачи усилительного элемента (DA1)

(4.26)

Коэффициент передачи регулирующего элемента заменяется произведением коэффициента передачи ШИМ и коэффициента передачи силового ключа (КИ)

, (4.27)

где UВХ – входное напряжение стабилизатора,

UПМ – размах пилообразного напряжения.

Тогда петлевое усиление (4.15) принимает вид

, (4.28)

где — КПД сглаживающего LCD – фильтра (3.27).

Из (4.28) следует, что при входных напряжениях десятки вольт и размахе пилы в схеме управления единицы вольт петлевое усиление в импульсных стабилизаторах в десятки раз может превышать петлевое усиление непрерывных стабилизаторов. Значит и коэффициент стабилизации по напряжению у них выше.

(4.29)

Схемы управления импульсными стабилизаторами выпускается в виде контроллеров – К142ЕП1, К1114ЕУ1, К1114ЕУ3 и др.

Основная сложность при проектировании импульсных стабилизаторов – обеспечение низких пульсаций на выходе. Напряжение на входе LCD – фильтра имеет вид прямоугольных импульсов (рис.4.26).

Рисунок 4.26 – Напряжение на входе LCD – фильтра

Найдём первую гармонику этой последовательности путём разложения в ряд Фурье.

, (4.30)

где — коэффициент заполнения, k – номер гармоники.

Полагая k = 1, находим

(4.31)

Зная амплитуду первой гармоники и постоянную составляющую, то есть коэффициент пульсаций на входе фильтра, находят требуемый коэффициент сглаживания и далее элементы фильтра.

Дата добавления: 2017-09-01 ; просмотров: 1336 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Импульсный стабилизатор напряжения

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

по дисциплине: Источники вторичного электропитания

Тема: ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

1. Принцип действия ИСН

2. Расчет элементов преобразователя

3. Схема управления

4. Конструкция устройства

Список используемых источников

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности это преобразователи вида и качества электрической энергии первичных источников питания (химических, топливных, электромеханическиех ядерных и других). ИВЭП являются одним из основных электронных компонентов любой функциональной аппаратуры. Они применяются во всех сферах современной индустрии: в различных областях промышленности, связи, электроприводе, автотранспорте, бытовых приборах, телекоммуникационной, военно–космической, компьютерной технике.

Современным генеральным направлением развития ИВЭП в мире попрежнему остается дальнейшее улучшение массогабаритных характеристик при снижении стоимости и обязательном выполнении требований надежности и качества электроэнергии.

По заданию КП мной должен быть разработан импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) – наиболее известная в семействе импульсных преобразователей схема.

1. Принцип действия ИСН

Рис. 1 Базовая схема ИСН

Входное напряжения Uin подается на входной фильтрующий конденсатор Cin. Ключевой элемент VT, в качестве которого может быть использован транзистор любого типа (биполярный, MOSFET, IGBT), осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Кроме этого, в составе преобразователя должны быть разрядный диод VD, дроссель L, конденсатор С out , образующие выходной LC-фильтр, а также схема управления, осуществляющая стабилизацию напряжения или тока нагрузки с сопротивлением Rн. Как видно из рисунка, ключевой элемент VT, дроссель и нагрузка включены последовательно, поэтому этот стабилизатор относят к классу последовательных схем.

Читайте так же:
Tl431a стабилизатор тока стабилизатор в дом рф

Ключевой элемент может стабильно находиться только в двух состояниях — полной проводимости и отсечки. Если указанные состояния сменяют друг друга с постоянной периодичностью, равной Т, то, обозначив время нахождения ключа в проводящем состоянии — как время проводимости (t u ), а время нахождения ключа в состоянии отсечки — как время паузы ( t n , можно ввести понятие коэффициента заполнения, равного:

где f — частота коммутации.

На рис. 2 показана временная диаграмма для определения коэффициента заполнения. Нулевое значение D характеризует постоянное нахождение ключевого элемента в состоянии и отсечки, в го время как равенство его единице показывает режим постоянной проводимости. В состоянии отсечки напряжение на нагрузке равно нулю, в состоянии полной проводимости наблюдается равенство входного и выходного напряжений. В промежутке между «нулем» и «единицей» работа преобразователя складывается из двух фаз: набор энергии и разряда. Рассмотрим эти фазы подробнее:

Итак, фаза накачки энергии протекает на протяжении времени t u , когда ключевой элемент VT открыт, то есть проводит ток (рис. 3, а). Этот ток далее проходит через дроссель L к нагрузке, шунтированной конденсатором С out . Накопление энергии происходит как в дросселе, так и в конденсаторе. Ток i L увеличивается.

После того, как ключевой элемент VT переходит в состояние отсечки, наступает фаза разряда (рис. 3, б), продолжающаяся время t n . Поскольку любой индуктивный элемент стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку, в данном случае ток дросселя i L мгновенно уменьшиться до нуля не может, и он замыкается через разрядный диод VD. Источник питания в фазе разряда отключен, и дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому разряд происходит по цепи «диод-нагрузка». По истечении времени Т процесс повторяется — вновь наступает фаза накачки энергии.

2. Расчет элементов преобразователя

Алгоритм расчета элементов СПН проводился по методике указанной в [1]. Базовая схема НПН показана на рис. 1.

1. Выбираем схему выпрямителя однофазную мостовую, = 2, тогда:

= 1,41  220 = 310,2 В.

2. Мощность на выходе выпрямителя (на входе преобразователя), Вт:

где при = 10. 100 Вт.

3. Коэффициентом пульсаций на выходе выпрямителя

= 0,5 (0,1 + 0,1) = 0,1

= 310,2 (1 – 0,1) = 217,8 В.

4. Среднее значение выпрямленного тока и сопротивления нагрузки входного выпрямителя :

= = 0,41 А; = = 531 Ом.

5. Минимальное значение выпрямленного напряжения, В:

= 310,2(1 – 20,1) = 217

6. Угол отсечки , при котором через диоды начинает протекать ток:

= 0,9, 26.

7. Угол, при котором прерывается ток через диоды выпрямителя:

, = 2,3 град.

Угол можно также определить, пользуясь графиком.

8. Ёмкость конденсатора входного фильтра, мкФ:

== 105,

где , здесь – частота тока сетевого напряжения.

9. Рабочее напряжение на конденсаторе , В:

= 310,2(1+0,1) = 341,22.

Выбираем из [3,5] конденсатор К50–28.

10. Действующее значение тока (А) через диоды мостовых схем выпрямителей :

= 11 .

11. Амплитудное значение тока через диоды входного напряжения, А ^

= 4,92.

12. Среднее значение тока через диоды, А:

= = 0,205.

13. Обратное напряжение, В:

= 310,2(1 + 0,1) = 341,22.

Дроссель для импульсных стабилизаторов тока

Преимущества импульсных стабилизаторов постоянного напряжения известны: высокий КПД и устойчивая работоспособность при большой разнице значений входного и выходного напряжения. В «Радио» уже публиковались описания таких стабилизаторов, но они либо не имеют защиты от замыкания в нагрузке [1, 2], либо очень сложны [3, 4]. Предлагаемый стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 1) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в [1], но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или превышении тока, потребляемого нагрузкой.

Читайте так же:
Стабилизатор частоты вращения двигателя током

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R2, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT2,VT3 в результате чего в цепи транзистор VT3 — дроссель L1— нагрузка — резистор R6 возникает ток. Происходит зарядка конденсатора С4 и накопление, энергии дросселем L1. Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 В и открывается стабилитрон VD4. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, VT1 и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD1, дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

Технические характеристики.

Входное напряжение. U,В. 15 . 25

Выходное напряжение, U,В. 12

Номинальный ток загрузки I,А. 1

Пульсации выходного напряжений при I=1,0 А, В. 0,2

КПД при Uвх.=18 В, I=1,0 А. 0,89

Потребляемый ток, А. в режиме замыкания цепи нагрузки при Uвх.=18 В. 0,4

Выходной ток, А. замыкания при Uвх.=18 В . 2,5

По мере уменьшения тока через дроссель и разрядки конденсатора С4 напряжение на нагрузке уменьшится, что приводит к закрыванию транзисторов VT5, VT1 и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется. Конденсатор СЗ, снижающий частоту колебательного процесса, повышает КПД стабилизатора. Более подробно о работе такого стабилизатора рассказано в [1].

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе Кб, открыванию транзистора VT4 и закрыванию ключевого элемента. Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD2 и VD3 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока, потребляемого нагрузкой. Нагрузочная характеристика стабилизатора приведена на рие.2. На участке а — б устройство работает как стабилизатор напряжения, на участке б—в — как стабилизатор тока. На участке, в—г выходной ток с уменьшением сопротивления нагрузки хотя и растет, но даже в режиме короткого замыкания (точка г) он безопасен для деталей стабилизатора. Интересно отметить: во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки.

Стабилизатор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Резисторы — МЛТ и С5-16Т (R6). Оксидный конденсатор С4 составлен из двух конденсаторов К50-6 емкостью по 500 мкФ каждый; конденсаторы С2 и СЗ—К10-7В. Диод КД226А (VD1) заменим на КД213; VD2 и VD3 могут быть любыми импульсными. Транзисторы VT1, VT4, VT5 — любые маломощные соответствующих структур с Uкэ max>Uвх. Транзистор VT2 (с некоторым ухудшением КПД) может быть любым из серии КТ814, VT3 — любым мощным структуры n-p-n в пластмассовом корпусе, который следует установить на теплоотводе размерами 40×25 мм из алюминиевого сплава. Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМ3. Магнитопровод собран с зазором толщиной 0,5 мм из немагнитного материала. Безошибочно смонтированный стабилизатор налаживания не требует.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток, потребляемый нагрузкой. Необходимое выходное напряжение устанавливают выбором соответствующего стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R6 или подачей на базу транзистора VT4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилитрона через переменный резистор. Участок б — в на нагрузочной характеристике позволяет использовать устройство для зарядки аккумуляторных батарей стабильным током. При этом, правда, КПД стабилизатора падает, и если предполагается длительная работа на этом участке нагрузочной характеристики, то транзистор VT3 придется установить на более эффективный тсп-лоотвод. Иначе допустимый выходной ток придется уменьшить. Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно использовать LC-фильтр, аналогичный примененному в [1].

Читайте так же:
Как правильно подключить стабилизатор тока

Мною смакетирован аналогичный стабилизатор на напряжение 18 В при токе нагрузки, регулируемом от 1 до 5 А. Такое устройство можно использовать, например, для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей, если предусмотреть защипу от их перепо-люсовки. Его транзисторы VT1 и VT2 — КТ914А, VT3 — КТ935А, VT4 и VT5 -КТ645А; диод VD1- КД213;VD4 -два последовательно включенных стабилитрона Д814А. Конденсатор С4 — два оксидных емкостью по 500 мкФ на номинальное напряжение 25 В. Дроссель L1 — 12 витков жгута из шести проводов ПЭВ-2 0,57 в магнитопроводе Б36 из феррита 1500НМ3 с зазором 0,5 мм. Резистор R6 — проволочный сопротивлением 0,05 Ом. Транзистор VT3 и диод VD1 установлены на общем теплоотводе с поверхностью 300 см2 через слюдяные прокладки. Для питания такого зарядного устройства использовался трансформатор ТН54 с соединенными последовательно обмотками. Мостовой выпрямитель на диодах Д242 с фильтрующим конденсатором емкостью 10 000 мкФ на номинальное напряжение 50 В.

1.Мнровов А. Простой ключевой стабилизатор напряжения. — Радио, 1985, № 8

2.Мировош А. Усовершенствование импульсного стабилизатора напряжения. — Радио, 1987, № 4

З.Миронош А. Мощный импульсный стабилизатор постоянного напряжения. — Радио, 1987, № 9

4.Мвдведев И. Импульсный стабилизатор. — Радио, 1989, № 3

С. ЗАСУХИН, г. Санкт-Петербург

Принцип действия импульсных стабилизаторов

В импульсных стабилизаторах (ИСН) регулирующий транзистор работает в режиме переключения, в результате чего рассеиваемая на нем мощность гораздо меньше, а КПД выше, чем в стабилизаторе с непрерывным регулированием. Структурная схема импульсного стабилизатора (рис.7, а) содержит силовую цепь и схему управления СУ.

Силовая цепь состоит из регулирующего транзистора VT, дросселя фильтра Др, конденсатора С и обратного диода VD. При открытом транзисторе в течение времени tоn энергия отвходного источника постоянного тока Uп передается в нагрузку через дроссель Др, в котором накапливается энергия. При закрытом транзисторе в течение времени toff, накопленная в дросселе энергия поступает в нагрузку через диод VD.

.

Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью tоn к периоду коммутации Т называется коэффициентом заполнения.

.

В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение Uп в серию импульсов, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя Др и конденсатора С, демодулирует их опять в постоянное напряжение Uн. При изменении входного напряжения Uп или тока в нагрузке Rh с помощью цепи обратной связи (схемы управления СУ) длительность импульсов изменяется таким образом, что выходное напряжение Uн поддерживается постоянным с определенной степенью точности. В таком стабилизаторе Uн Uп) и инвертирующий стабилизаторы, силовые цепи которых состоят из тех же элементов, что и понижающего, но включенных в другом порядке. Чаще применяется понижающий стабилизатор, как имеющий меньшее внутреннее сопротивление.

В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения различают стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), релейные стабилизаторы.

Читайте так же:
Диод как стабилизатор тока

В ИСН с ШИМ длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению Uн (рис. 7.2, а).

В ИСН с ЧИМ длительность импульсов напряжения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально, (частота обратно пропорционально) Uн (рис. 7.2, б).

В релейном стабилизаторе формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжением uн двух горизонтальных уровней: нижнего – при формировании фронта и верхнего – при формировании среза. Поскольку изменение uн в зависимости от Uп и Iн может быть различным, то и частота в такой системе регулирования может изменяться в широких пределах (рис. 7.2, в).

ИСН с ШИМ имеют следующие преимущества по сравнению со стабилизаторами двух других типов:

— обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования, которая является неизменной, что имеет существенное значение для большинства потребителей;

— реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника.

Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов релейного типа является более сложная схема управления.

Однако в большинстве случаев схема управления, а иногда и весь стабилизатор представляют собой интегральную микросхему (ИМС), поэтому этим недостатком можно пренебречь.

Отсутствие у ЧИМ и релейных ИСН свойств, определяющих преимущества ИСН с ШИМ, является недостатком первых двух.

К недостаткам релейного стабилизатора относятся большие пульсации напряжения на нагрузке, а к его преимуществам – простота схемы управления.

В зависимости от индуктивности дросселя, тока нагрузки, частоты преобразования, входного и выходного напряжений все три типа импульсных стабилизаторов независимо от способа стабилизации выходного напряжения могут работать в режиме непрерывных или прерывистых токов, протекающих через дроссель. Временные диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме с непрерывным током дросселя для стабилизатора понижающего типа приведены на рис. 7.3.

В момент поступления импульса управляющего напряжения транзистор открывается и, поскольку диод VD из-за его инерционности не может мгновенно включаться, всё напряжение питания оказывается приложенным к переходу коллектор-эмиттер транзистора. Его коллекторный ток начинает резко возрастать до максимального значения Iкm, которое зависит от скорости нарастания базового тока, коэффициента усиления и частотных свойств транзистора, а также от времени рассасывания неосновных носителей tр.д. в базовой области силового диода. Если частотные свойства транзистора намного хуже импульсных свойств диода, то выброс коллекторного тока может отсутствовать.

С момента t2 обратный ток диода уменьшается до Iобр, коллекторный ток транзистора падает до Ilmin, а uкэ до напряжения насыщения Uкн. В течение времени t2t3 ток, протекающий через дроссель, увеличивается до ILmax ,а напряжение на диоде равняется UпUкн.

После окончания импульса uy транзистор закрывается через время рассасывания tp. и ток дросселя начинает спадать через открытый диод до ILmin. При этом напряжение Uкэ=Uп Uпр. Затем весь процесс повторяется.

Если индуктивность дросселя будет меньше некоторой критической величины, возникает режим прерывистых токов (в некоторые отрезки времени iL=0).

Недостатком режима прерывистых токов является увеличение пульсаций напряжения на нагрузке, так как в некоторые отрезки времени дроссель не участвует в сглаживании переменного напряжения. Поэтому при проектировании ИСН необходимо избегать режима прерывистых токов дросселя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию