3.4. Электронные схемы регулирования выпрямленного напряжения

В настоящее время широкое применение в мощной электронике находят схемы регулирования постоянного напряжения, простроенные на применении транзисторов типа IGBT, позволяющих регулировать токи до 1200 А при напряжениях до 6500 В. (IGBT – insulate gate bipolar transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором).

Принцип регулирования основан на изменении длительности управляемого импульса, поступающего на затвор транзистора. Данное время характеризуется коэффициентом скважности, равным отношению длительности управляемого импульса Т₁ к длительности периода следования управляемых импульсов Т₂ (рис. 3.12):

(3.14)

Рис. 3.12. Параметры для определения коэффициента скважности.

Схема регулирования выходного напряжения на его понижение (типа Step Down) приведена на рис. 3.13. Напряжение на выходе будет равно:

(3.15)

Управляющий импульс на базу IGBT открывает его на время длительностью Т₁ и в интервале времени t₁ – t₂ начинается процесс заряда конденсатора С через дроссель.

В интервале времени t₂ – t₃ IGBT – закрыт, но энергия магнитного поля, запасенная в дросселе (принцип непрерывности тока в индуктивности) в поддерживает ток заряда конденсатора, который протекает по контуру: диод D – дроссель L_др – конденсатор С, т.е. продолжается процесс подзаряда конденсатора.

Для исключения пульсаций параметры К и нагрузка согласуются так, чтобы ток в дросселе не прерывался.

Рис. 3 13. Схема регулирования выходного напряжения на его понижение

(типа Step Up)

Схема регулирования выходного напряжения на его повышение (типа Step Up) приведена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Схема регулирования выходного напряжения на его повышение

(типа Step Down)

Здесь также должен соблюдаться принцип непрерывности тока через дроссель. Ток заряда емкости поддерживается в паузу t₂ – t₃ , при этом к входному напряжению добавляется напряжение, генерируемое запасенной энергией в дросселе. Напряжение на выходе будет равно:

(3.16)

Широко используются также инверторные схемы, в которых регулируемое напряжение на выходе изменяет полярность (типа Invert). Схема приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Инверторная схема регулирования постоянного напряжения (типа Invert).

В интервале времени t₁ – t₂ ток i₁ течет через дроссель, в котором запасается энергия. В интервале t₂ – t₃ протекает ток i₂ , который реализует эту энергию в заряд конденсатора, при этом величина зарядного напряжения определяется:

(3.17)

Лекция 4 каскадные генераторы постоянного тока

4.1. Схема удвоения напряжения, применяемая в каскадах

Эта схема наиболее часто используется для заряда конденсаторов (на рис. 4.1 это конденсатор С₂ , который сам является элементом формирующей схемы), но может также использоваться как источник удвоенного напряжения на активной высокоомной нагрузке. Схема является составным элементом каскадных генераторов напряжения, поэтому ее функционирование необходимо рассмотреть подробно.

Рис. 4.1. Схема удвоения напряжения.

Переходные процессы в схеме при включении переменного напряжения протекают следующим образом.

1. Режим холостого хода ( ключ К – отключен, R = )

В первую четверть периода переменного напряжения (полярность указана на рис. 4.1) диод D₁ открыт и через него заряжается конденсатор С₁.

С начала второй четверти периода положительный потенциал точки «в» (t₁) становится выше потенциала точки «d», диод D₁ закрывается и открывается диод D₂, при этом начинается заряд конденсатора С₂ путем перезаряда на него конденсатора С₁.

В третьей четверти полупериода, когда напряжение на входе схемы (точка «а») становится положительным, конденсатор С₂ заряжается от двух последовательно включенных источников: вторичной обмотки и заряженного конденсатора С₁.

С начала четвертой четверти периода потенциал точки «с» превышает потенциал точки «в» и диод D₂ запирается.

К этому моменту конденсатор С₂ может быть заряжен до двойного напряжения. Все процессы перезаряда конденсаторов представлены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Переходные процессы в схеме удвоения напряжения.

Случай, когда все процессы практически заканчиваются за указанное время (за один период), имеет место при условии С₁  С₂. Изменения напряжений между указанными точками в установившемся режиме можно описать уравнениями:

(4.1)

Если С₁ С₂ процесс заряда до удвоенного напряжения происходит в несколько периодов. Так при С₁ = С₂ конденсатор С₁ при перезаряде на С₂ теряет половину своего заряда, полученного в первую четверть периода. Этот процесс приведен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Многоцикловый процесс заряда емкости С₂ (С₁ С₂)

Если схема имеет активную нагрузку R, включенную параллельно С₂, то этот конденсатор будет разряжаться, причем за полупериод, когда диод D₂ закрыт, напряжение на С₂ снизится до величины:

(4.2)

где - время полупериода.

В связи с этим установившееся напряжение на нагрузке будет иметь пульсирующую форму (рис. 4.4.) Снижение пульсаций достигается, исходя из выше приведенной формулы, увеличением сопротивления нагрузки и увеличением емкости С₂, причем пульсации будут минимальны при С₂>>C₁. Чтобы уменьшить снижение напряжения при низкоомной нагрузке увеличивают частоту питающего напряжения. Величина частоты ограничивается возможностями трансформатора и диодов.

Рис. 4.4. Форма напряжения на активной нагрузке.