Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Назначение и области использования
|
|
2.2.1. Схема и принцип действия понижающего ИСН
Стабилизатор напряжения, регулирующее устройство (РУ) которого работает в импульсном режиме, называется импульсным стабилизатором напряжения.
В общем случае принцип действия импульсного стабилизатора напряже-ния можно свести к следующему. Если идеальный ключ SA в электрической цепи на рис.83, а периодически замыкать и размыкать, то напряжение постоянного тока (рис.83, б) будет преобразовано на сопротивлении нагрузки R н в последовательность периодических однополярных импульсов. Форма напряжения на нагрузке U н в виде прямоугольников приведена на рис. 83, в.
Среднее значение напряжения U н.ср (в дальнейшем U н.) на нагрузке находится известной формулой
а б в
Рис. 83
|
.
Вместо ключа SA на практике обычно используются РУ - мощные полевые, МДП-транзисторы, биполярные транзисторы, транзисторы типа IGBT, работающие в импульсном режиме. Работа регулирующего транзистора в режиме ключа дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы. На рис. 83, в обозначено: t и – время импульса или время замкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время открытого состояния транзистора; t п – время паузы или время разомкнутого состояния ключа, а в реальных схемах это время закрытого состояния транзистора; T – период работы ключа.
Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузке связано с напряжением первичного источника следующем соотношением
U Н = (t и / T) U п = КЗ U п,
где КЗ = t и / T – коэффициент заполнения импульсов или относительное время замкнутого состояния ключа. Так как период T связан с частотой переключения f формулой T = 1/ f, то можно представить коэффициент заполнения импульсов в виде КЗ = t и f и, следовательно,
U Н = t и f U п.
В схемах импульсных стабилизаторов напряжения на практике на выходе ключа устанавливают сглаживающие LC фильтры.
Схема импульсного стабилизатора напряжения состоит из силовой части (силового контура) и системы управления. Силовые части ИСН, соответственно на полевом и биполярном транзисторах, (рис. 84, а, б) включают в себя: VT 1–регулирующий транзистор; VD 1 – блокирующий диод; L 1 и C 2 – индуктивность дросселя и емкость конденсатора Г-образного пассивного сглаживающего фильтра. Регулирующий транзистор управляется импульсами U су, вырабатываемыми системой управления (СУ), подключенной параллельно сопротивлению R н. На вход силовой части ИСН подается напряжение питания U п, а с нагрузки R н – снимается напряжение U н.
Рис. 84
Рис. 85
|
На рис. 85 показаны временные диаграммы, пояс-няяющие работу силовой части стабилизатора «по-нижающего» ИСН.
В схемах на рис. 84, а, б, чаще всего используемых на практике, РУ и дроссель L 1 включены последовательно относительно нагрузки.
В момент, когда 
1 открывается импульсом дли-тельности 
, на вход фильтра подается напряжение 
(если прене-бречь потерями в транзис-торе при его насыщении 
, то 
) и через дроссель начинает протекать нарастающий ток 
. Так как здесь рассматривается уста-новившийся режим (после большого числа открытого и закрытого состояний 1), то к 
1 прикладывается напряжение 
, равное разности между 
и напряжением на конденса-торе 
, при этом диод 
1 оказывается закрытым под действием обратного напря-жения, равного по величине . Конденсатор C 2 сначала продолжает разряжаться на сопротивление нагрузки 
при 
, а затем начинает заряжаться при 
. В момент за-пирания (рис. 84) транзисто-ра ток, протекавший через L 1, достигает некоторого максимального значения 
, которому соответствует запасенная в магнитном поле дросселя энергия 
. Ток в дросселе не может мгновенно снизиться до нуля [5,12].
В интервале паузы 
, когда транзистор закрыт, магнитный поток, сцепленный с витками обмотки дросселя, снижается до нуля и в обмотке индуктируется эдс 
, противодействующая уменьшению мдс. Полярность этой эдс противоположна полярной эдс дросселя в интервале , когда транзистор был открыт. Под действием эдс открывается диод VT 1, и энергия дросселя начинает поступать в нагрузку, поэтому ток дросселя снижается до некоторого минимального значения 
, соответствующего моменту времени, когда VT 1 снова откроется, и т.д. В этом же интервале , конденсатор C 2 сначала продолжает заряжаться при 
, а затем уже разряжается при 
. Если при этом ток, протекающий через L 1, не снижается до нуля (т.е. ), то режим работы силовой цепи ИСН называется режимом непрерывного тока дросселя. Если в течение паузы ток 
, то этот случай работы ИСН именуется режимом прерывистого тока дросселя. Режим непрерывного тока дросселя получается тогда, когда величина индуктивности L 1 дросселя выбирается больше критической 
, которая соответствует нулевому значению тока в обмотке дросселя в момент, предшествующий открыванию транзистора.
В рассматриваемой схеме среднее значение выходного напряжения будет всегда меньше среднего значения входного напряжения 
(в схеме ИСН без потерь 
). Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, у которых 
, называются понижающими.
Выходное напряжение 
такого ИСН определяется соотношением (без учета потерь силовой части ИСН):
,
где 
– коэффициент заполнения импульсов; 
– период коммутации, – время импульса, когда регулирующий транзистор открыт, – соответственновремя паузы, когда VT 1 закрыт.
Ток через катушку за время возрастает со скоростью:
где 
- напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT 1. В течении времени ток в катушке L 1 достигает максимального (пикового) значения:
где 
– амплитуда пульсации тока дросселя, а также отклонения от средних токов 
и 
; 
- частота коммутации.
Диод 
во время закрыт напряжением на эмиттере транзистора.
Если учесть, что напряжение на входе ИСН изменяется, то наибольшее изменение тока через дроссель будет равно:
Это и все сказанное далее справедливо для установившегося режима, и не учитывает наличие конденсатора 
, а он потребляет дополнительный (помимо нагрузки) ток до тех пор, пока ток через катушку 
.
Когда же транзистор 
с помощью U СУ закрывается, убывающее магнитное поле катушки вследствие самоиндукции изменяет полярность напряжения на ее выводах и она во время становится источником питания нагрузки. Создаваемый ею ток замыкается через открывшийся диод , нагрузку и конденсатор и уменьшается со скоростью:
теперь напряжение на выводах катушки 
.Все время, пока 
, ток течет через нагрузку и заряжает конденсатор , после чего конденсатор сам начинает питать нагрузку. Ток 
спадает по линейному закону вплоть до момента очередного открывания транзистора . После этого весь цикл повторяется.
Среднее значение тока нагрузки 
,среднее значение тока 
во время , среднее значение тока замыкающего диода 
за время не зависят от 
, при безразрывном токе дросселя и будут равны:
Индуктивность накопительной катушки 
рассчитывают исходя из того, что она должна обеспечивать непрерывный выходной ток в течении времени , когда транзистор VT 1 закрыт. Чтобы ток дросселя при закрытом транзисторе не падал до нуля, индуктивность дросселя должна быть выше некоторой критической величины 
. Последнюю можно найти из неравенства:
Только при 
запас энергии, накопленной дросселем при заряде, достаточен для подпитки нагрузки в течение всей части периода.
Требуемые напряжение и ток нагрузки устанавливают соответствую-щим выбором отношения 
, которые рассчитывают по формуле:
.
Емкость конденсатора определяют из выражения:
где 
- допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения.
Коэффициент полезного действия ИСН является функцией частоты коммутации, и с увеличением последней уменьшается, поскольку с увеличением 
в ИСН возрастают коммутационные потери мощности в транзисторе и диоде силовой части. При высоких частотах (более 20 кГц) необходимо учитывать также потери мощности в , [5]. Несмотря на это, КПД ИСН при прочих равных условиях значительно выше, чем в непрерывном стабилизаторе напряжения.
В общем случае ИСН имеет внутреннее (выходное) сопротивление r, которое ранее не учитывалось, зависящее от сопротивления насыщенного транзистора 
и открытого разрядного диода 
, сопротивление катушки дросселя 
и внутреннего сопротивления первичного источника питания r. При анализе ИСН считают, что 
. В этом случае 
и равными оказываются постоянные времени 
зарядки и разрядки цепей дросселя. Такой подход упрощает получение выражения для семейства выходных и регулировочных характеристик силовой части ИСН, которое имеет вид:
.
При заданных 
и 
можно определить условие реализуемости стабилизатора:
при котором возможно осуществить схему силовой части ИСН.
Выражение для выходной и регулировочной характеристики удобнее записать в следующем виде:
рис. 86
|
Семейство выходных (зависимость 
) характеристик строится при различных значениях 
от 0 до 1. Выходное сопротивление такого источника равно r при любом значении .
Семейство регулировочных (зависимость 
) характеристик строится при различных значениях 
.
Построив семейство выход-ных и регулировочных характе-ристик (рис. 86), можно определить диапазон изменения длительности относительной паузы , необхо-димой для сохранения неизменным выходного напряжения при колебаниях как входного (от 
до 
) напряжения, так и тока нагрузки (от 
до 
) [5].
Date: 2015-05-04; view: 1488; Нарушение авторских прав