Особливості перетворювальних комірок на транзисторах.

Основним елементом МДЖ є конверторні структури, які включають схеми інвертування і демодулятор. Схеми модуляторів можна використовувати за одно- двотактним або комбінованим принципом. Перевагами двотактної схеми є низькі вимоги до перевантажень за струмом та напругою, які ставляться до комутуючих елементів. Найбільш поширеною двотактною схемою є мостова і напівмостова.

При потужних навантаженнях, в таких схемах ключові елементи закорочуються діодними вентилями. Режими регулювання в таких схемах аналогічний до режиму трансформаторно-ключовх структур та структур з неперервним регулюванням, тобто режим регулювання напруги визначається зсувами фаз між керуючими імпульсами, що подаються в ключі на діагоналі моста. Відмінність від попередніх структур полягає в тому, що неперервно-ключові схеми працюють з джерелами постійного струму, трансформаторно-ключові – з джерелами змінного струму, а перетворювальні комірки вказаного типу є універсальними. Півмостову схему одержують з мостової заміною послідовної ланки транзисторних ключів ємнісними накопичувачами енергії, що забезпечують спрощення схеми керування для такої комірки.

При наявності низьковольтних двополярних ДЖ доцільним є використання тиристорної схеми.

Якщо використовувані транзисторні ключі допускають подвоєне значення напруги джерела енергії, то можна реалізувати перетворювальні комірки по схемі з диференційним трансформатором.

Діодні вентилі виконують функцію захисту транзисторів від імпульсних перевантажень за рахунок зворотних струмів самоіндукції в обмотках трансформатора. Якщо джерела повинні працювати в режимі підвищеної частоти або забезпечувати великий діапазон регулювання частоти в межах до 20 кГц, то двотактні схеми є непридатними за рахунок великих динамічних втрат. Також неможливо уникнути значного намагнічення осердя трансформатора і вихід його в режим насичення. Тому в цих випадках ширшого застосування набули схеми однотактних комірок з прямим і зворотним ввімкненням вентилів. Недоліками останнях є подвійне перевантаження вентилів за напругою.

Ланка, паралельно ввімкнена до транзисторного ключа, що складається з додаткової обмотки і вентиля, призначена для подавлення імпульсних перевантажень ключа при виникненні е.р.с. самоіндукції.

Кращими характеристиками володіє схема, яка складається з двох однотактних схем, ввімкнених назустріч. Така схема є прототипом двотактних схем і характеризується відсутністю перевантажень по напрузі. Обидва півперіоди перетворюваної напруги формуються транзисторними ключами, тому е.р.с. самоіндукції гаситься.

Забезпечити певний режим регулювання напруги і перейти до кільказонного режиму дозволяє різновиди останньої схеми, в яких ключі вмикаються до різної кількості витків трансформатора.

При наявності двополярного джерела живлення доцільніше використовувати схему, в якій є дві окремі обмотки.

Подальший розвиток перетворювальні комірки одержали в схемах комбінаційного типу. При цьому використовують як однотактне так і двотактне ввімкнення ключів елемента.

Трансформатор TU1 працює в двотактному режимі, а TU2, TU3 – в однотактному. В результаті ефективність перетворення дещо знижується за рахунок додаткового підмагнічування TU2 та TU3. Щоб уникнути цього використовують схеми з додатковими розмагнічуючи ми обмотками.

Реалізація режиму розмагнічування досягається використанням додаткового джерела зміщення, що вмикається до розмагнічуючи обмоток через обмежувач струму (ОС). В якості обмежувача струму найчастіше використовують дроселі. Це дозволяє збільшити в два рази коефіцієнт використання осердя, зменшуючи його мас та габарити. Незручністю схеми є необхідність додаткового джерела енергії, тому розмагнічуючи котушки можна заживити від основного джерела, використовуючи противідкатне ввімкнення.

Розглянуті схеми інверторів дозволяють забезпечити практично будь-який закон регулювання напруги у вхідних колах перетворювачів, тобто в колах, розміщених до імпульсного трансформатора. Однак регулювати напругу можна і у вихідних колах, тобто після перетворення. Для цього використовують різноманітні схеми керованих демодуляторів. Комбінування методів керування одночасно інверторами і демодуляторами з допомогою багатофункціональних схем керування, забезпечити значну гнучкість перетворення і реалізувати будь-яку математичну функцію перетворення сигналу.

Розглянемо основні схеми демодуляторів, що використовуються в МДЖ.

При виникненні перевантажень за рахунок індукційних струмів транзисторні ключі К1-К4 в найпростішій схемі повбують додаткового ввімкнення діодів. Однією з різновидів є схема, утворена з допомогою закорочення ключів К2-К3. Комбінування часових характеристик комутації ключів дозволяє реалізувати режими прямої передачі струму, регулювання величини додатної напруги до максимального значення. Схема демодулятора також може бути модифікована з допомогою замикання ключа VT2.

Однією з найпростіших схем є використання ключа, послідовно ввімкненого з мостовою схемою випрямлення.

З використанням цифрової техніки поcтала необхідність в реалізації схем, які працюють в імпульсному режимі, та дозволяють задавати дискретне регулювання сигналів з так званими ваговими коефіцієнтами. Наступна схема дозволяє реалізувати 14 регульованих вагових значень напруги, які можуть бути описані послідовним двійковим кодом “1-2-4-8”.

В залежності від комутації певних ключів можна одержати конкретне ступінчасте значення вихідної напруги. Перевагою цієї є те, що додаткове введення двох ключів за геометричною прогресією збільшують кількість можливих варіантів комутації, а відповідно кількість вагових значень напруги. Однією з модифікацій такої схеми є схема з постійно ввімкненим діодними ключами.

Вказані демодулятори та інвертори разом утворюють перетворювальні комірки. Вони є базовими елементами в багатокоміркових МДЖ з багатозонною модуляцією матричного типу.

Вихідна напруга є сумою сигналу керування та сигналу з генератора пилоподібної напруги. Завдяки цьому на кожної комірки формуються імпульси однакової амплітуди, але різної тривалості. Додавання напруг дозволяє одержати модульовану напругу з високочастотними пульсаціями. З одержаного сигналу в суматорі порівняно легко виділити основну гармоніку, оскільки пульсації характеризуються більш високою частотою, а їх амплітуда в кілька разів менша за максимальний рівень напруги.

При відповідній частоті комутації, необхідній кількості зон і певному алгоритмі формування керуючих імпульсів, можна відтворити модульовані сигнали з високим ступенем точності.

В літературі виділяють три основних види БІМ, а також декілька додаткових, що утворюють їх комбінацією.

До основних відносяться:

• циклічна БІМ;

• багатозонна багатофазна модуляція (ББФМ);

• цифрова БІМ (БІМ-Ц).

Всі вони утворюються з використанням модуляторів трьох видів:

• однополярний нереверсивний (ОНМ);

• однополярний реверсивний (ОРМ);

• двополярний реверсивний (ДРМ).

У вихідному сигналі спостерігаються комутаційні мітки, так звані паузи, які зумовлені перемиканням силового кола. Вони спотворюють сигнал, і за видом спотворення можна виділити три різновидності циклічної БІМ:

• циклічна БІМ, в якій мітки синхронізовані по всіх зонах модуляції. Їх частота рівна частоті комутації ключа;

• циклічна БІМ з ВЧ квантуванням (БІМ-К). В цьому випадку проводиться додаткове квантування між комутаційними мітками. Відповідно кількість імпульсів зростає;

• БІМ з ковзаючою зоною (БІМ-КЗ). В даному випадку в режимі високої частоти працює одна комірка, а решта – на понижених частотах.

В системах з багатофазною модуляцією діє багатофазна система напру, які підлягають модулюванню. При цьому можна виділити наступні різновидності обробки сигналу:

• ББФМ-В – з вертикальним розділенням фаз. Тут кожній зоні відводиться певна фаза – кожна фаза модулюється тільки в окремо виділених часових інтервалах;

• Якщо модулюють сигнал у всіх фазах одночасно – говорять про горизонтальне розділення фаз (ББФМ-Г);

• в системі ББФ-О – з однофазним керуванням, працює одна фаза, що виділяє мітки і багатофазна система імпульсів, зумовлених квантуванням в кожній комірці;

• при багатофазній системі напруг і багатофазній системі імпульсів квантування, одержують різновид комірки – ББФМ-К – з квантованим виходом.

Багатофазна багато імпульсна цифрова модуляція характеризується тим, що і параметри зон і параметри імпульсів задаються у цифровому коді.

Застосування вказаних семи видів модуляторів дозволяє одержати чотири види вихідних сигналів:

• багатозонна ШІМ (БШІМ);

• ЧШІМ (БЧШІМ);

• багатозонна неперервна (БНМ);

• багатозонна з цифровим керуванням (БШІМ-Ц).

Останній тип можна відрізнити від попередніх систем живлення тільки в динаміці – за дискретним приростом параметрів імпульсів.

Реалізовані на даний час системи вказані крапками в вузлах таблиці.

Найбільш компактний опис модуляторів можна одержати в базисі розривних функцій, що використовуються для аналізу МДЖ за методом комутаційних функцій з розривними компонентами.

Під розривними розуміють функції, для яких в певних точках Х₀ границі справа і зліва Х₀ нерівні. Їх ще називають розривними функціями першого роду.

Тип функції	Математичний опис	Позначеня
1. Одинична з додатнім перепадом		1(х)
2. Одинична з від’ємним перепадом		1(-х)
3. Модуль		| x |
4. Функція знаку		sign (x)
5. δ - функція		δ ( x )
6. Функція Антьє		E1 (x)
7. Функція Антьє нормованого аргументу		E1 (x/a)
8. Нормована функція Антьє		Ea (x)
9. Дробова з додатніми імпульсами		1 (x)
10. Нормована дробова з додатніми імпульсами		1 (x/a)
11. Дробова з від’ємними імпульсами		1(-x)
12. Нормована дробова з від’ємними імпульсами		1(-x/a)
13. Трикутна функція
14. Зворотна трикутна
15. Прямокутна синус-функція		fa(t)
16.		Fa(t)
17. Функція зміщеного знаку
18. Зміщена на 

Розглянемо приклад опису роботи перетворювальної комірки з однополярною неперервною модуляцією з допомогою базису розривних функцій. При ШІМ – режимі інформативні точки перетворення в дискретні моменти часу, які знаходяться на відстані а одна від одної. Вихідна функція може бути описана співвідношенням

.

Функціональна схема комірки може бути наступною:

Керуючий сигнал x(t)порівнюється в компараторі К з розгортаючою напругою, що подається з генератора пилоподібної напруги (ГПН). На виході компаратора формуються послідовність двополярний імпульсів Y_ШІМ(t), з допомогою яких здійснюється зсув прямокутних імпульсів задаючого генератора (ЗГ) шляхом добутку f_a(t)^.Y_ШІМ(t). Реалізується така функція з допомогою логічної комірки “виключне АБО”. Одержаний сигнал поступає на керуючі входи мостової схеми інвертора. При цьому ввімкнення одної пари ключів здійснюється сигналами ЗГ, а іншої пари – сигналами зі схеми порівняння. Вихідна напруга є сумою сигналів . Після трансформатора отримаємо

.

Враховуючи коефіцієнт трансформації , після де модулювання (випрямлення ) вихідних імпульсів на навантаження одержимо вихідний сигнал з однополярною неперервною модуляцією:

.

Аналогічним чином реалізується керування в перетворювальних системах з ОРМ.

ЗГ визначає тривалість тактових імпульсів. В кожному тактовому інтервалі генерується пилоподібна лінійно-зростаюча напруга ₁(t/а) та 1-₁(t/а). На компараторах К₁, та К₂ формуються ШІМ сигнали, які перемножуються на комірках =1 (виключне АБО) з сигналами ЗГ. Одержимо послідовності різнополярних прямокутних імпульсів, зміщених за фазою один відносно іншого. Їх використовують для керування ключами інвертора. На трансформаторі знову одержимо прямокутну напругу в вигляді прямокутних імпульсів. Демодулятор виконано на керованих ключах. Він здійснює реверсивне випрямлення, що рівносильне помноженню сигналу на сигнал тактової частоти f_a(t). Вихідний сигнал на навантаженні у нормованому вигляді можна записати:

.

Кодовий модулятор реалізує фіксацію дискретних рівнів вхідних сигналів в довільні моменти часу. Графічно його можна зобразити у вигляді багатозонної діаграми. Вихідна функція визначається як

.

В ЧІМ амплітуда і тривалість імпульсів на виході є постійними і пропорційними до керуючих сигналів. Змінюється частота імпульсів і модулюється тривалість паузи. Вихідний сигнал у базисі розривних функцій має вигляд:

В чшім ускладнення методів формуванні вхідного сигналу здійснюється з метою одержання більш придатного спектра ВЧ гармонік. При одночасному регулювання частоти і тривалості імпульсів, модуляцію можна описати з допомогою функції

,

де - дробова функція зі змінними періодами a(t). Регулювальна характеристика даного модулятора нелінійна.

ШІМ-Ц модулятор базується на порівнянні двох цифрових кодів:

• код вхідного сигналу x(nt),

• код розгортаючою функції .

Ці коди можуть бути асинхронними, але для виключення субгармонійних коливань їх доцільно синхронізувати. Для випадку кратних частот вхідного сигналу у цифровому вигляді вихідний сигнал одержується з кодовою модуляцією з числом градацій 2^r, де r – розрядність, що використовується у вхідному АЦП коду. Тоді вхідний сигнал можна представити як

.

Якщо дробова функція записується через функцію Антьє з різними інтервалами дискретизації

;

то вихідний сигнал буде записаний як

.

Неперервна імпульсна модуляція (НІМ) використовує глибину модуляції, що не перевищує поля розгортки сигналу. При цьому втрачається інформація про імпульсну складову. В комбінації з кодовою модуляцією вигляд вихідної функції в базисі розривних функцій можна записати

.

Асинхронний модулятор відноситься до релейних систем з заданою зоною чутливості. Якщо верхній та нижній рівні зони визначаються через вхідний сигнал у вигляді x(t) + x та x(t) -x, то модель модулятора можна представити у вигляді параметричної системи. Для верхньої межі записують

,

де - вихідний сигнал постійної частоти.

Для нижньої межі

.

Тоді повний вихідний сигнал матиме вигляд

.

Частота перемикання релейної замкненої системи визначається властивостями навантаження або кіл зворотнього зв‘язку.

Модель сигналу з БІМ, що формується в колі розгортаючи напруг, визначається для кожного виду БІМ через комбінацію дробових функцій, функцій знаку та інших, які входять в модель сигналу відповідного модулятора. Якщо поля розгортки реалізуються лінійно-зростаючими чи лінійно-спадаючими функціями, то існують три різновидності моделей:

1. Якщо розгортка здійснюється лінійно-зростаючою напругою, то циклічна БІМ може бути описана першою різновидністю - при лінійно-зростаючому полі розгортки;

2. При лінійно-спадаючому полі розгортки

3. Модуляція, що реалізує обидва поля розгортки. Тоді вихідний сигнал є сумою вказаних двох сигналів.

Графічно модуляцію лінійно-спадною функцією можна зобразити у наступному вигляді:

БІМ з кодовим квантуванням (БІМ-К) характеризується наявністю додаткового періоду квантування, величина якого вибирається з енергетичних міркувань, тобто враховується ще квантування потужності сигналу. Вихідний сигнал в цьому випадку описується співвідношенням

.

В системах з ковзаючою зоною поля розгортаючою напруги можуть бути одержані кількома способами, наприклад одночасним використанням КІМ і дробової функції можна забезпечити вихідний сигнал, що описується співвідношенням

Графічно це можна зобразити наступним чином:

Аналогічним чином можна отримати інші види БІМ. Збільшення числа зон модуляції приводить до відтворення перетворюваних сигналів без спотворень, однак в реальних схемах дуже важко уникнути комутаційних пауз, обумовлених перемиканням силових кіл перетворювачів.

Імпульсні перетворювачі в побутовій техніці

1. Однотактні перетворювачі з одностороннім ключем.

2. Однотактні перетворювачі з двостороннім ключем.

3. Двотактна напівмісткова схема.

4. Особливості розрахунку імпульсних перетворювачів.

1. Однотактні перетворювачі з одностороннім ключем.

Переваги однотактних схем є їх простота, надійність, низькі втрати та низька вартість. Проте вони не забезпечують надійного комутування при підвищених потужностях і характеризуються низьким ККД, тому використовуються, в основному, при малих потужностях. Крім того при комутації має місце додатковий спектр гармонік , що значно впливає на роботу ключів. Найбільш розповсюдженою є однотактна схема перетворювача з прямим або зворотним ввімкненням вентиля у вторинному колі.

Схема з зворотнім ввімкненням (а) характеризується тим, що струм через вентиль вторинного кола протікає тоді, коли транзистор закритий. Еквівалентна схема в цьому випадку будується з умовою перерахунку опору навантаження до первинного кола – береться приведене значення R_н.е. така схема враховує основну індуктивність первинної обмотки , індуктивність розсіювання L_S, вхідну та вихідну ємності схеми і має наступний вигляд:

Особливості перетворення сигналів в схемі пояснюється епюрами струмів та напруг при різних значеннях індуктивності первинної обмотки.

В залежності від величини вторинної індуктивності L, струм у вторинному колі може бути неперервним (L₁>L_min); імпульсним (L₁=L_min) або відсутнім в певні моменти часу (розривним) при L₁<L_min, тобто енергії, яка накопичується в L₁ недостатньо для забезпечення постійного струму протягом часу δT, коли транзистор відкритий і струм через L₁ лінійно зростає. Індуктивність в цей час накопичує енергію, тому величина максимального струму рівна

? .?

Коли транзистор закритий – енергія, накопичена в L₁ переходить в навантаження через вентиль VD1. Спад струму при цьому рівний

,

де δ – величина, обернена до шпаруватості, тобто визначається співвідношенням часу відкритого стану транзистора до періоду:

,

а частота комутації ключа

.

Струм через навантаження буде неперервним, тобто математично означає що він не менше Т1, якщо

; де Рвих = І_вих ^. U_вих.

Між значеннями L та δ існує пряма залежність. Оскільки потужність в навантаженні повинна бути постійною, то зменшення δ приводить до імпульсного перевантаження транзистора. Це означає, що за менший проміжок часу через транзистор протікати більший струм, щоб забезпечити ту ж саму потужність. Збільшення δ обмежується частими властивостями транзистора, а відповідно процесами розтікання носіїв заряду в базовій і колекторній областях при його перемиканні. Максимальне значення δ може бути 0,8...0,8. оптимальним є δ=0,5.

Для оцінки вимог, які ставляться до транзистора використовують співвідношення:

;

;

де - коефіцієнт трансформації.

В навантаженні джерела живлення, як правило, є одне коло, яке споживає більше значення потужності, і кілька вихідних кіл з пониженою потужністю. Тому за вихідну потужність приймають сумарну потужність вихідних кіл перетворювача, а за вихідну напругу – найбільше значення напруги найбільш потужного кола навантаження. Збільшення індуктивності L₁ також приводить до зростання індуктивності розсіювання L_S, в якій накопичується енергія

.

При закривання транзистора ця енергія викличе додаткове його перевантаження за напругою. Тому для обмеження імпульсних перевантажень використовується діодні – резистивно - ємнісні кола, що шунтують колекторно-емітерні кола транзистора. Вони дещо понижують ККД перетворювача, але забезпечують безпечний режим роботи ключа.

Еквівалентна схема для другої схеми ввімкнення приймає вигляд, як на рис 9.4.

L`_др забезпечує певну стабілізацію струму в навантажені, а також зменшує пульсації струму через комутуючий транзистор. Діод VD1 є рекуперативним для первинного кола, тобто в інтервали часу (1-δ)Т відбувається повернення (рекуперація) енергії, накопиченої в трансформаторі протягом часу δТ, коли транзистор був відкритий.

Основні співвідношення для розрахунку:

• вихідна напруга

;

• приведена індуктивність дроселя

;

• реальна індуктивність дроселя

;

• максимальний струм колектора

.

На практиці вибирають на 15 –20 % більшу за мінімальне значення. Для зменшення імпульсного струму через транзистор доцільно збільшувати індуктивність первинної обмотки трансформатора. Це приводить до певного збільшення габаритних параметрів і відповідно індуктивності розсіювання , що в свою чергу викликає зростання струму колектора і перевантаження транзистора та напругою при його закриванні. На практиці використовують схему захисту, наприклад як в першій схемі, де транзистор по виходу зашунтований резистивно-ємнісно-діодною ланкою. В цьому випадку зменшується швидкість наростання напруги на колекторі до значення від 500 до 1000 В/мкс, що необхідно для забезпечення роботи транзистора в безпечній зоні імпульсних перевантажень. Номінальні значення елементів RC кіл вибирають з умови

; ;

тут Т – період імпульсів;

– швидкість наростання напруги.

Схема з зворотнім ввімкненням діода має наступні переваги:

• потребує меншого числа додаткових елементів;

• відсутня додаткова обмотка трансформатора;

• імпульси струму через транзистор в такій схемі є меншими, що видно із записаних співвідношень.

Збільшення потужності джерела приводить до втрати цих переваг, оскільки в схемі з прямим ввімкненням струми у первинному і вторинному колах протікають одночасно. При цьому струм намагнічування магнітопроводу визначається кількістю ампер-витків первинної та вторинної обмоток. У зв‘язку з обмеженням значення струму намагнічування і вимогою зменшення габаритних розмірів трансформатора за рахунок зменшення числа витків обмоток, немагнітний проміжок в трансформаторів відсутній. В схемі з зворотним ввімкненням діода весь колекторний струм є струмом намагнічування магнітопроводу. Оскільки магніто провід працює в режимі часткового перемагнічування, то при великих струмах перемагнічування обов‘язково вводити немагнітний прошарок для запобігання виходу осердя в режим насичення. Товщина прошарку 0,5...2 мм. Це потребує збільшення перерізу магнітопроводу для збереження розрахованих значень L_min .