5. Импульсные регуляторы напряжения

Как следует из экспериментов, проведенных в разделе 3.7, КПД линейных стабилизаторов является низким из-за потерь в транзисторах регулирующего элемента, кроме того требуются мощные теплоотводы, превышающие по габаритам и массе сами стабилизаторы.

Повысить КПД можно, если транзисторы регулирующих элементов будут работать в ключевом режиме.

При использовании MOSFET и IGBT транзисторов проблема КПД и массово-габаритных показателей решается достаточно просто. Регулирование напряжения в этом случае осуществляется следующим образом: из постоянного напряжения формируются однополярные импульсы с постоянной составляющей, величина которой пропорциональна длительности импульсов. Схема идеального ключевого регулятора и осциллограммы, поясняющие его принцип работы, показаны на рисунке 5.1.

U1

Рисунок 5.1

Среднее значение выходного напряжения U_н:

Где γ=t₁/T – коэффициент заполнения импульса.

Изменяя значение коэффициента можно регулировать выходное напряжение импульсного регулятора. Для получения постоянного напряжения необходимы фильтры.

Существуют три основные схемы импульсных регуляторов напряжения (ИРН), преобразующих переменное напряжение в постоянное (конверторы ДС-ДС): последовательный ИРН понижающего типа, ИРН параллельный повышающего и ИРН параллельный инвертирующего типа.

5.1. Импульсный регулятор напряжения последовательного типа.

На рисунке 5.2. изображена схема ИРН понижающего типа

Импульсный регулятор напряжения понижающего типа

Рисунок 5.2

Проходной транзистор Q1 находится в одном из двух режимов – насыщения (транзистор открыт) или отсечки (транзистор закрыт). Если Q1 открыт (насыщен), ток поступает от источника постоянной ЭДС U1 через дроссель L в нагрузку R одновременно заряжается конденсатор C. Когда транзистор Q1 закрыт, ток через индуктивность по закону коммутации, протекая по цепи L - C║R, общий провод ┴, диод Q, способствует поддержанию выходного напряжения U_н.

При определении регулировочной характеристики составляются выражения для определения напряжения на индуктивности на каждом интервале работы транзистора.

Транзистор Q1 открыт от 0 до t₁

где

ток через индуктивность за время t=t₁ нарастает, а за интервал времени

равномерно уменьшается. Из равенства токов для каждого интервала времени определяется регулировочная характеристика:

Ток через нагрузку должен превышать ток пульсации дросселя:

Откуда значение индуктивности дросселя равно:

Где γ=γ_max , f_p=1/T – рабочая частота, сопротивление R_н=R_{н max}.

Рекомендуемое значение L:

Для определения значения емкости C, положим ток нагрузки равным

, тогда для интервала (T-t₁):

где f_p=1/T, γ=t₁/T, K_п=ΔU_н/U_н – коэффициент пульсации

Ток через транзистор и диод , где значение индуктивности равно рекомендуемому.

Напряжение транзистора, диода и емкости

По данным ,,и выбираются транзисторы и диоды. КПД регулятора , где - прямое падение напряжения диода, - напряжение насыщения коллектор - эмиттер(сток - исток). Ток потребляемый регулятором находится из баланса мощностей

5.3. Исследование импульсного регулятора понижающего типа

Цель: построение регулировочной характеристика, выходной характеристики, снятие осциллограмм токов через транзистор, диод и дроссель. Оценка влияния изменения сопротивления нагрузки на формы токов(,и )

Приборы и элементы

- транзистор IRG4BC20U Q1

Диод Шоттки 10BQ040 D1

Резисторы R₁=20Ом, R₂=510 Ом,

Индуктивность L1=10мГн

Емкость С₁=3мкФ

Сопротивление нагрузки R₁=2Ом

Потенциометр R=10Ом

Датчики тока R=10млОм

Амперметры U₂, U₃

Вольтметры U₁

Четырехканальный осциллограф XSC1

Двухканальный осциллограф XSC2

Функциональный генератор XFG1

Источник постоянной ЭДС V1

Исходные данные и значения номиналов элементов входящих в схему.

Исходные данные:

U₁=25В – входное напряжение ЭДС постоянного тока;

R_н=( R₆+ R₇)=(212)Ом – сопротивление нагрузки;

=20 кГц – рабочая частота;

- коэффициент заполнения импульса.

Рабочая частота и коэффициент заполнения импульса задается с помощью функционального генератора XFG1 форма импульсов прямоугольна

Максимальные значения напряжения и тока нагрузки

Максимальные значения напряжения на диоде D1и транзисторе Q1

Значение индуктивности из условия непрерывности тока через катушку , L₁=500мкГн.

Значение емкости ,

С₁=2мкФ.

Максимальное значение токов через диод и транзистор

По значениям, , выбраны диод с барьером Шоттки D1 10BQ040 и транзистор IGBT – IRG4BC20U/

Сопротивление датчиков тока R₃, R₄, R₅ выбираются из условия R₂=R₃=R₄=(0,05R_нmin

Резистор R1 выбирается из условия обеспечения максимального зарядного тока входной емкости C₁₁ IGBT транзистора. Максимальный зарядный ток затвора I_сз=1 А, напряжение затвор-эмиттер U_зэ=20В.

Диод VD2 позволяет сократить время разряда входной емкости.

Исследуемая схема изображена на рисунке 5.3.

ИРН понижающего типа

Рисунок 5.3

Рисунок 5.4

1. форма тока через дроссель

2. форма напряжения на диоде D1

3. форма тока через транзистор

4. форма тока через диод

Порядок проведения эксперимента

Эксперимент 1. построение регулировочной характеристики ИРН понижающего типа для R_{н max}= 12 Ом и R_{н min}=2 Ом. Определение входного сопротивления при различных γ.

1. Откройте файл «ИРН понижающего типа» или соберите схему, изображенную на рис. 4.3. установите значение R_{н min}=R7=2 Ом, а R6=0 Ом (0%). Включите схему. Изменяя значения γ от 0.2 (20% - duty Cycle) c шагом Δγ=0.1, занесите в таблицу показания вольтметра U2, измеряющего U_н .

2. Установите значение ,

R6_max=10 Ом (100%) и повторите опыт а). Постройте регулировочную характеристику

U_н(R_{н min})=f(γ) и U_н(R_{н max})=f(γ). Проведите сравнительный анализ и сделайте выводы относительно теоретической зависимости U_н=U1*γ, почему нет совпадений.

3. Установите значения: γ1=0.3, γ2=0.5, γ3=0.9. изменяя величину R_н от 12 до 2 Ом, занесите показания вольтметра U2, амперметра U1 в таблицу. По табличным данным постройте выходные характеристики ИРН для трех случаев (γ1=0.3, γ2=0.5, γ3=0.9). По полученным зависимостям найти выходные сопротивления. Провести сравнительный анализ, сделайте выводы о поведении напряжения нагрузки в зависимости от тока нагрузки при различных γ.

4. Рассчитайте КПД регулятора, используя показания амперметра U4 (ток потребления I₀), амперметра U3 (ток нагрузки I_н) и вольтметра U2 (напряжение нагрузки U_н) для γ2=0.5 и γ3=0.9 для двух случаев и

Потребляемая мощность:

Мощность, выделяемая нагрузкой

КПД

Сделайте выводы.