4 курс (заочка) / Учебные материалы / ЭУиСТ практикум Шакиров Яблочников (часть 3)

( пр < 10кГц), среднечастотные ( пр = 10 … 100кГц), высокочастотные ( пр = 100 … 1000кГц), сверхвысокочастотные ( пр > 1000 кГц).

По способу возбуждения электрических колебаний различают однотактные и двухтактные преобразователи с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой релаксационные генераторы с внутренней положительной обратной связью. Преобразователи с независимым возбуждением состоят из усилителя мощности и схемы управления (СУ), в состав которой входит формирователь управляющих импульсов или некоторый задающий генератор. Импульсы с выхода схемы управления поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на небольшие мощности (до нескольких десятков ватт). В радиоэлектронной аппаратуре они применяются как маломощные автономные источники электропитания. Преобразователи с независимым возбуждением применяют при мощности в нагрузке свыше нескольких десятков ватт.

По способу передачи электрической энергии однотактные преобразователи делятся на прямоходовые (с прямым включением диода) и обратноходовые (с обратным включением диода) (рис.1 а, б).

Рис.1. Схемы однотактных преобразователей: «прямоходового» (а) и «обратноходового» (б)

21

Характерным признаком «прямоходовых» преобразователей является передача энергии в нагрузку во время открытого состояния транзистора VT1 (рис.1 а). На интервале времени, когда транзистор VT1 закрыт, через открытый диод VD3 происходит полное размагничивание магнитопровода трансформатора с помощью дополнительной обмотки 3. Размагничивание магнитопровода достигается тем, что энергия, запасенная в индуктивности обмотки трансформатора на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью возвращена в источник питания во время закрытого состояния VT1. В обратноходовых преобразователях (рис.1 б) при открытом состоянии транзистора VT1 энергия запасается в магнитном поле трансформатора T2, а во время закрытого состояния транзистора энергия передается в нагрузку. Для осуществления обратноходовой схемы трансформатор должен иметь зазор, а полярность включения диода VD1 в схеме выпрямления должна быть изменена на обратную.

Рис.2. Варианты построения регулируемых преобразователей на базе двухтактных инверторов напряжения: а – инвертор со средней точкой

трансформатора; б – мостовой инвертор; в – полумостовой инвертор

22

В однотактных преобразователях основная частота пульсаций f1 равна частоте преобразования пр, что определяет весьма большие значения массагабаритных показателей реальных устройств, выполняющих функции выходного сглаживающего фильтра.

3.2. РАБОТА ДВУХТАКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Двухтактные преобразователи отличаются от однотактного лучшего использования полупроводниковых приборов и электромагнитных аппаратов (в первую очередь трансформатора). В структуру таких преобразователей входят двухтактный инвертор, выходной выпрямитель и фильтр. Улучшение свойств преобразователя достигается тем, что в двухтактном преобразователе на каждом такте работы обеспечивается передача энергии от источника в нагрузку.

Таким образом, двухтактный преобразователь может быть представлен в виде совокупности двух однотактных с передачей энергии на прямом такте, однако, работающий со сдвигом во времени на половину периода. Следствиями такой работы являются увеличение выходной мощности, снижение импульсов тока, увеличение частоты пульсаций выходного напряжения, перемагничивание магнитопровода силового трансформатора по частному симметричному циклу.

Вкачестве примера на рис. 2 приведены три варианта весьма распространенных принципиальных электрических схем двухтактных регулируемых преобразователей, а именно: схема со средней точкой трансформатора, мостовая и полумостовая.

Вданной лабораторной работе студентам предлагается реализовать исследование процессов функционирования классического двухтактного преобразователя напряжения с выводом нейтральной (средней) точки первичной обмотки трансформатора. Принципиальная электрическая схема силовой части такого преобразователя приведена ниже на рис. 3-1.

Рассмотрим работу данного преобразователя, выдвинув предположение об «идеальности» всех его электронных элементов, а также о «безразрывности» тока дросселя L. Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в установившемся режиме при широтно-импульсном управлении транзисторами VT1, VT2 представлены на рис. 3-2 (в обозначениях осей ординат указаны контрольные точки КТ, соответствующие гнездам стенда).

23

Рис. 3-1. Схема двухтактного преобразователя (преобразователя типа push-pull).

На рис.3-2 в и рис. 3-2г представлены временные диаграммы изменения напряжений затвор-исток полупроводниковых транзисторов VT1 и VT2, уровень которых превышает пороговые напряжения полупроводниковых транзисторов таким образом, что на временном интервале t=0…tИ транзистор VT1, а на временном интервале t=0.5T…(0.5T+tИ) транзистор VT2 находятся в режиме насыщения.

24

Рис. 3-2. Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного преобразователя.

25

Состояния транзисторов VT1, VT2 и диодов VD1, VD2 (On или Off) на всех четырех временных интервалах за период Т преобразования энергии (рис. 3-2в) представлены в табл. 1.

На первом временном промежутке полярности напряжений на обмотках трансформатора показаны на рис. 3-1. Напряжение сток –исток закрытого транзистора VT2, равное сумме напряжения источника питания UИП и ЭДС на зажимах первичной полуобмотки W12, также равная для идеального преобразователя UИП, оказывается равным удвоенному значению напряжения питания (см. рис.1-2 д).

Таблица 1.

Если обозначить W11= W12 через W1, а W21= W22 через W2, то выражение для коэффициента трансформации трансформатора n21 примет следующий вид:

n21= W2/ W1.

Напряжение на входе фильтра нижних частот ua (рис. 1-2з) окажется равным на этом временном интервале UИП· n21. Напряжение, приложенное к обмотке дросселя L (uL), равное разности напряжения ua и напряжения на выходе преобразователя UH будет на первом временном интервале определять скорость нарастания тока дросселя, а, следовательно, тока диода VD1 (рис.1- 2ж) и тока транзистораVT1 (эта кривая не приведена на рис. 3-2)

На втором временном интервале t = t И…0.5Т. Оба транзистора закрыты (Off) а за счет энергии запасенной дросселем L оба диода VD1, VD2 будут открыты и через каждый из диодов будет протекать ток равный половине тока дросселя., т.е на этом временном интервале трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания. Поэтому напряжения сток-исток закрытых

26

транзисторов оказывается равным UИП (рис. 3-2д). При этом скорость убывания тока через диоды и вторичные полуобмотки трансформатора будет определяться напряжением, приложенным к обмотке дросселя, равным выходному напряжению UH преобразователя.

На третьем временном интервале t=(0.5T…0.5T+tИ ) будут открыты транзистор VT2 и диод VD2. Кривая тока стока транзистора VT2 приведена на рис. 3-2 е. На четвертом временном интервале трансформатор снова оказывается в режиме короткого замыкания (при условии безразрывности тока дросселя).

Исходя из вида кривой напряжения ua(t) (рис 3-2 з) следует, что период изменения этого напряжения оказывается в два раза меньше периода коммутации каждого из транзисторов. Следует отметить, что в рассматриваемом преобразователе вместо данной схемы выпрямления (двухполупериодной с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) могут применяться однофазная мостовая или схема с удвоителем тока, но в любом случае период напряжения ua(t) будет в два раза меньше периода коммутации транзисторов.

Среднее значение напряжения ua(t) равно для идеального преобразователя напряжению на нагрузке. Если обозначить через γ относительную длительность включенного состояния (tИ) отдельно взятого транзистора, т.е. γ= tИ/Т., то регулировочная характеристика преобразователя примет следующий вид:

UH= tИ ·U ИП·n21/0,5·T = 2· γ· U ИП·n21.

Следует иметь в виду, что в литературе достаточно часто вместо γ применяют D= tИ/Т, (duty).

К достоинствам двухтактных преобразователей по отношению к однотактным преобразователям следует отнести меньшие габариты фильтра нижних частот, так как в двухтактных ФНЧ работает на удвоенной частоте. На практике находят применение двухфазные однотактные преобразователи (с прямым включением диода), представляющие собой два отдельных модуля, работающих со сдвигом по фазе на половину периода, на общий ФНЧ, так что частота изменения напряжения на входе ФНЧ такая же, как и в двухтактных преобразователях.

Но, при этом, вместо одного трансформатора, как это имеет место в двухтактных преобразователях, требуется установка двух трансформаторов с большей суммарной габаритной мощностью. Однако следует иметь в виду, что в рассматриваемом двухтактном преобразователе принципиально возможно

27

появление одностороннего намагничивания материала магнитопровода трансформатора, для исключения которого приходится существенно усложнять схему управления.

В реальных преобразователей существенное влияние на работу оказывают индуктивности рассеяния трансформатора и задержки переключения диодов выпрямителя. Другой особенностью реального полупроводникового преобразователя является необходимость шунтирования ключевых элементов обратными диодами и введения защитных RC – цепей, не показанных в рассматриваемых схемах.

3.3. РАБОТА МОСТОВОГО И ПОЛУМОСТОВОГО ИНВЕРТОРА.

Вмостовой и полумостовой схемах инвертора (рис.2 б,в) напряжение на зажимах полупроводниковых приборов примерно равно входному

напряжению ип, поэтому схемы широко применяются при высоком значении входного напряжения.

Впреобразователях мостового типа рис.2 б одновременно открыты два транзистора либо VT1, VT2, либо VT3, VT4. Напряжение источника питанияип прикладывается к первичной обмотке трансформатора T1, причем в

различные полупериоды полярность напряжения на первичной обмотке будет различна. Для среднего значения напряжения на выходе устройства можно записать:

вых = 2ип 21 .

Полумостовая схема преобразователя (рис.2 в) содержит емкостной делитель С1, С2. Напряжение на конденсаторах равно половине напряжения питания. Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора равна напряжению на конденсаторе, т.е. ип⁄2. В этой схеме к закрытому транзистору прикладывается напряжение, равное ип. Ток коллектора транзистора преобразователя при одинаковой мощности в нагрузку будет в два раза больше, чем в мостовой схеме и схеме со средней точкой.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя определяется по формуле:

вых = ип 21 .

Для устранения так называемого режима «сквозных токов», в рассматриваемых схемах рис.2 открывание очередных транзисторов не может произойти раньше, чем окончится процесс рассасывания избыточных носителей в областях баз запираемых транзисторов. Режим сквозных токов

сопровождается хотя и кратковременными, но значительными по амплитуде

28

бросками коллекторных токов одновременно открытых транзисторов, что приводит к заметному уменьшению КПД преобразователя.

В отличие от идеализированных, на работу реальных преобразователей существенное влияние оказывают индуктивности рассеяния трансформатора и задержки переключения диодов выпрямителя [1-3]. Другой особенностью реального полупроводникового преобразователя является необходимость шунтирования ключевых элементов обратными диодами и введения защитных RC – цепей, не показанных в рассматриваемых схемах.

4. ОПИСАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Стенд содержит три сменных блока, позволяющих проводить исследование различных устройств электропитания. Для проведения испытаний двухтактного преобразователя на стенде устанавливаются сменный блок «Преобразователь постоянного напряжения», внешний вид которого приведен на рис. 2. и сменный блок нагрузок.

Рис. 4. Внешний вид сменного блока «Преобразователь постоянного напряжения».

29

Сменный блок (см. рис. 4) содержит:

-регулируемый источник напряжения постоянного тока (источник питания), выходное напряжение которого может меняться в пределах от 7 до

16 В;

-регулируемый двухтактный преобразователь, силовая часть которого содержит два полевых транзистора (VT1, VT2), силовой трансформатор и два выходных двухполупериодных выпрямителя с LC фильтрами нижних частот на выходе каждого из них;

-схема управления, состоящая из:

-генератора пилообразного напряжения, форма напряжения которого представлена на рис. 3-2 а;

-широтноимпульсного модулятора (компаратора на рис. 4), на один вход которого подаётся пилообразное напряжение, а на второй вход напряжение постоянного тока, величина которого может меняться с помощью потенциометра, подключенного к источнику питания (разомкнутая цепь обратной связи) или непосредственно с выхода выпрямителя;

-формирователя управляющих импульсов, обеспечивающего подачу импульсов напряжения на затворы полевых транзисторов VT1, VT2 в соответствии с рис. 3-2 в и рис. 3-2 г. (Частота следования управляющих импульсов 25…35 кГц).

-схему защиты преобразователя от перегрузки (со звуковой и световой сигнализацией).

Для перевода преобразователя в режим с замкнутой или разомкнутой цепи обратной связью в стенд введен тумблер S1. В верхнем положении тумблера на вход компаратора схемы управления подаётся напряжение с выхода верхней (рис. 4) схемы выпрямления, то есть преобразователь обеспечивает стабилизацию выходного напряжения этого выпрямителя В нижнем положении тумблера на указанный вход подается напряжение с переменного резистора «РЕГ.ВЫХ.», который позволяет регулировать вручную напряжение на выходе преобразователя, например, для того чтобы снять регулировочную характеристику преобразователя.

В качестве нагрузки при исследовании преобразователя используется переменный резистор блока нагрузок (правая панель лабораторного стенда).

Регулирование тока, протекающего через нагрузку, производится ручками « н грубо» и « н точно». Примерные пределы изменения н: от 1300 Ом в положении 1 переключателя « н грубо» до 17 Ом в положении 11. В положении «X.X.» н = ∞.

Напряжение на резисторе нагрузки и ток, протекающий через резистор, контролируются вольтметром PV2 и миллиамперметром PA2.

30