Принцип работы импульсного преобразователя

Импульсные преобразователи в альтернативной энергетике используются как важнейшие элементы стабилизаторов напряжения, которые используются для питания различного электрооборудования, в том числе и для зарядки аккумуляторов. Кроме того, они используются в преобразователях напряжения, для получения переменного напряжения промышленной частоты, необходимых для работы большинства бытовых и промышленных потребителей электрической энергии.

Возможности импульсных преобразователей шире, они также применяются в радиотехнике, телевидении, в энергосберегающих лампах, в автомобилях, для получения высоковольтных импульсов зажигания.

Чтобы правильно использовать возможности, преимущества, знать недостатки, необходимо понять принцип работы импульсных преобразователей и сравнить с некоторыми аналогичными по назначению аналоговыми устройствами, которые также называют линейными.

Сравнение типовых схем линейных и импульсных источников питания показывает, почему в большинстве случаев предпочтительно использовать импульсный источник питания. Линейный источник питания способен производить напряжение только ниже входного. Все аналоговые зарядные устройства требуют для работы напряжение питания на входе, выше напряжения на выходе, как минимум на величину прямого падения напряжения на управляющем элементе – транзисторе или тиристоре. Большинство источников альтернативной энергии в течение времени значительно изменяют количество выдаваемой энергии. Когда источник выдаёт напряжение меньше, чем необходимо, например, для зарядки аккумулятора, то зарядка не происходит. Когда напряжение существенно больше необходимого, то лишняя энергия рассеивается в виде тепла на управляющем элементе стабилизатора. Транзисторы имеют не очень большую мощность рассеивания, что существенно ограничивает возможности применения аналоговых источников питания.

Чтобы уменьшить потери на управляющем транзисторе и обеспечить возможности регулирования и поддержания выходных характеристик источника питания, можно с помощью регулируемого задающего генератора заставить транзистор работать в импульсном режиме. В таком режиме транзистор с большой частотой периодически полностью открывается и закрывается, регулируя тем самым количество выдаваемой энергии. В то время, когда транзистор полностью открыт, его сопротивление очень мало, а значит, он имеет малую мощность рассеивания и мало греется. Например, если транзистор в открытом состоянии имеет сопротивление 0,01 Ом, а ток проходящий через него равен 20 А, тогда тепловая мощность рассеваемая транзистором будет равна:

P = I² • R = 20² А • 0,01 Ом = 4 Вт.

В то время, когда транзистор закрыт, падение напряжения на транзисторе будет максимальным, но ток, проходящий через транзистор практически равен нулю. Произведение любого числа на ноль даёт ноль, следовательно, мощность рассеивания транзистора в эту часть периода равна нулю.

Для сравнения, если на транзисторе аналогового стабилизатора при таком токе падение напряжения на транзисторе будет равно всего 2 В, мощность рассеивания транзистора должна будет составлять:

P = U • I = 2 В • 20 А = 40 Вт.

Обычно падение напряжение на транзисторе в разы больше, а значит и больше могут быть потери на нагрев, что может быть неприемлемым.

В импульсных схемах применение полевых транзисторов для мощных преобразователей позволяет ещё больше уменьшить мощность рассеивания за счёт очень небольшого тока управления у этих транзисторов. Для создания достаточно мощных импульсов энергия от источника накапливается в конденсаторе или индуктивности. Чаще всего используют индуктивность, которая при кратковременном прекращении подачи напряжения за счёт явления самоиндукции может выдавать большое по величине напряжение импульса. Ток этого импульса снимается через обратноходовой диод, в качестве которого может использоваться диод Шотки с малым прямым падением напряжения или транзистор. Это позволяет получать на выходе напряжение больше, чем на входе. Импульсное выходное напряжение выпрямляется и сглаживается конденсаторами.

Чтобы обеспечить регулировку или поддержание необходимых выходных характеристик импульсного стабилизатора, необходимо управлять импульсами с выходного транзистора. Такое управление осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) частота следования импульсов постоянная, но меняется ширина импульсов. Если ширина импульсов большая, то большую часть периода транзистор открыт, а значит и пропускает больше электрической энергии. При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) меняется частота следования импульсов, а ширина остаётся постоянной. Тогда при постоянной ширине импульса, чем больше частота следования импульсов, тем большее количество энергии отдаёт преобразователь. Отклонения выходных характеристик отслеживаются и через усилитель ошибок воздействуют на задающий генератор, модулирующий (управляющий) импульсами.

Чем больше частота следования импульсов, тем больше энергии может накопить индуктивность или ёмкость, а значит, они могут иметь небольшие габариты. Однако, в импульсной технике невозможно бесконечно увеличивать частоты. Невозможно мгновенно изменять токи и напряжения в схеме, а значит, увеличиваются частотные искажение и потери, в том числе и на излучение. Поэтому сейчас в импульсных преобразователях используют частоты от десятков килогерц до единиц мегагерц. Разработано достаточно много вариантов схем, различающихся по принципу построения и по характеристикам. Существую трансформаторные и без трансформаторные преобразователи. Есть повышающие, понижающие и комбинированные схемы, позволяющие получать на выходе напряжение больше и меньше, чем от источника питания. Каждый из этих вариантов может иметь свои особенности построения схемы, описания которых есть в больших толстых книгах. Можно просто упомянуть, например, однотактные и двухтактные схемы, прямоходовые и обратноходовые преобразователи, с гальванической или без гальванической развязки. Для пользователя вполне достаточно знать основные принципы работы и связанные с ними существенные отличия и особенности.

Если сравнивать импульсные источники питания аналоговыми стабилизаторами, то по техническим характеристикам импульсные превосходят аналоговые по КПД, которое у них достигает 90% и более, они меньше по весу, габаритам, а при больших и средних мощностях по цене. Импульсные преобразователи широко используются в блоках питания различной аппаратуры, а также как импульсные зарядные устройства - контроллеры для зарядки аккумуляторов. Разработка и изготовление подобных схем довольно сложно для любителей из-за взаимного влияния близко расположенных деталей на высоких частотах. При больших мощностях даже небольшое изменение формы сигнала приводит к перегрузке и выходу транзисторов из строя. Работа транзистора в ключевом режиме на довольно больших частотах позволила использовать в схеме небольшие транзисторы, конденсаторы, трансформаторы. Это позволило изготавливать преобразователи не очень маленькой мощности в виде микросхем. Импульсные сварочные аппараты имеют небольшие вес и размеры. Насколько я знаю, подобное оборудование в России не изготавливается, если не считать отвёрточную сборку из готовых блоков.

К недостаткам импульсных преобразователей нужно отнести повышенное электромагнитное излучение. Поскольку форма импульсов несинусоидальная, кроме основной частоты, большая доля высокочастотных гармоник. Поэтому импульсные преобразователи напряжения не рекомендуется использовать для питания высокочувствительных и высокоточных устройств.

«СОГЛАСОВАНО»

Date: 2016-05-25; view: 1260; Нарушение авторских прав