3 ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Импульсные генераторы гармонических колебаний являются прямыми преобразователями постоянного напряжения источника питания в гармоническое, без промежуточного преобразования в ток, как это имеет место в выше приведённых генераторах на основе гармоник тока.

Особенностью этих генераторов является то, что они используют один режим работы АЭ, а именно, ключевой (включен-выключен) тем самым АЭ превращается в электронный вентиль. Как известно, потери энергии в таком режиме весьма малы, поэтому КПД импульсных генераторов превышает 90%. В настоящее время применяются два вида импульсных генераторов:

-генераторы на основе гармоник напряжения или резонансные преобразователи постоянного напряжение в переменное;

-генераторы с синтезированием гармонического напряжения методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ).

3.1 ГВВ на основе гармоник напряжения

Функциональная схема такого генератора представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Она содержит источник питания ИП, генератор гармоник напряжения ГГН, колебательную цепь КЦи устройство управления. В качестве возбудителя используется импульсный генератор ИГ (мультивибратор или генератор пилообразного напряжения). Задача ГГНсформировать колебание во-первых с малыми потерями, а во-вторых с минимумом гармоник. Таким колебанием является меандр (класс-Д) или типа меандра (класс-Е с промежутками между импульсами). Как известно, такое колебание содержит

1только, 1 , 1 нечетные гармоники U1, U3, U5, …, в пропорции к амплитуде первой гармоники

3 5 7 и т.д.

69

Формируется меандр очень просто с помощью мостовых или полумостовых двухтактных схем включения вентилей (транзисторов в ключевом режиме).

Колебательная цепь – фильтр, предназначенный для фильтрации гармоник напряжения (входной элемент-индуктивность). Такие фильтры были рассмотрены выше. Особенность этих фильтров в том, что они не шунтируют высшие гармоники, а отсекают, тем самым не расходуется энергия на эти гармоники.

Управляющее устройство представляет собой специализированный микроконтроллер, предназначенный для работы в схемах преобразователей напряжения, содержащий в своем составе импульсный регулируемый генератор пилообразного напряжения.

Одна из схем импульсного генератора гармонических колебаний представлена на рис. 3.2. Она содержит два вентиля VT1 и VT2, включенных в виде полумоста, колебательную цепь – последовательный контур LCRн и трансформатор Тр, на который с устройства управления (например, микроконтроллер TL 494) подаются импульсы, при этом вентили переключаются и в средней точке полумоста формируется напряжение, представляющее собой меандр с размахом 2Еп.

Осциллограммы колебаний представлены на рис. 3.3. Как видно из осциллограмм длительность= 1 управляющих импульсов в точности равна полупериоду колебаний контура,

2 0 . Регулировка входного напряжения путём изменения длительности импульсов невозможна так как в резонансных цепях нельзя прерывать токи свободных колебаний.

Рис.3.2 ГВВ на основе гармонического напряжения

70

Рис.3.3 Осциллограммы сигналов ГВВ, рис 3.2 Согласно рис. 3.3 имеем: Θ = 900 , α1 = 12 , α0 = π1 .

На нагрузке выделяется первая гармоника напряжения с амплитудой:

U1 = π2 2Um = π4 (Eп − Uост ) .

Амплитуда первой гармоники тока на нагрузке, образуемая путём вычитания противофазных токов i1 и i2, равна:

I1 = 12 Im − (− 12 Im ) = Im .

Постоянная составляющая определяется как сумма токов транзисторов:

I0 = π1 Im + π1 Im = π2 Im .

Мощность на нагрузке:

P1 = 12 I1U1 = π2 Im (Eп − Uост ) .

Потребляемая мощность:

P0 = I0 Eп = π2 Im Eп .

71

КПД:

η1 = P1 =1− Uост .

P0 Eп

Мощность рассеяния:

Pрас = P1 − P0 = π2 Im (Eп − Uт ) = π2 Im Uост = I0 Uост .

Е

Таким образом, получен КПД, близкий к 1, при мощности рассеяния I0 Uост , так

как ост п .

Для управления мостовыми инверторами, с целью возможности регулировки амплитуды выходного напряжения резонансного преобразователя, разработан специальный микроконтроллер UC 3875, реализующий фазовый способ управления [6]. Он заключается в следующем: длительность управляющих импульсов постоянная и равна полупериоду колебания контуров; каждое плечо инвертора переключается этимиимпульсами с учётом «мёртвого» времени между импульсами в плече; изменяя сдвиги фаз

между импульсами плеч, изменяют время подключения нагрузки к источнику питания. Особенности этого способа управления в том, что ток колебательной цепи не прерывается, так как КЦ всегда либо подключена к источнику питания (включены накрест расположенные вентили), либо замкнута на коротко (верхними или нижними вентилями).

Одним из авторов пособия был предложен резонансный преобразователь, реализующий временной способ управления амплитудой выходного напряжения.

На рис. 3.4 представлена схема этого преобразователя.

72

Рис. 3.4 Резонансный преобразователь постоянного напряжение в переменное

Она содержит мостовой инвертор из четырёх вентилей VT1VT4 с обратной проводимостью, полосовой фильтр L1C1L2C2 состоящий из последовательного L1C1Rн контура и параллельного контура L2C2Rн с трансформатором Тр на выходе, причём индуктивность трансформатора L2 работает в составе фильтра. Такой фильтр обеспечивает хорошую избирательность при малых добротностях контуров 1,5-2 и обеспечивает гальваническую развязку входного и выходного напряжений. К тому же выходное напряжение не зависит от величины сопротивления нагрузки вплоть до холостого хода.

Устройство управления выполнено на базе микроконтроллера UC 3825. Навесные элементы обеспечивают заданную частоту переключения (цепочка RC), минимальное «мертвое» время (4-5% от периода переключения), период колебания контуров на эту же величину меньше периода переключения инвертора. Сопротивление R2 регулирует амплитуду выходного напряжения Uвых (подача соответствующего уровня напряжения на вход 2UC), С3 обеспечивает мягкий запуск UC. Выходы 11UC и 14UC через драйверы (не показаны) управляют верхними вентилями VT1 и VT2, изменяя длительность импульсов, VT3 и VT4 – нерегулируемые, управляются импульсами триггеров, длительность

73

импульсов равна полупериоду колебаний контуров. Непрерывность тока колебательной цепи при закрытых вентилях VT1 или VT2 обеспечивается обратными проводимостями вентилей VT3 или VT4.

регулируемые путём изменения длительности импульсов (изменением R2). Вентили VT3 и VT4 – нерегулируемые1 , длительность импульсов постоянная и равная полупериоду

Осциллограммы сигналов представлены на рис. 3.5. Вентили VT1 и VT2 –

колебания контуров 2 0 . Настройка осуществляется регулировкой частоты переключения

инвертора ( сопротивления R), так как длительность «мертвого» времени в UC постоянная и определяется величиной емкости С. Как видно из осциллограмм ток имеет несколько искаженную форму (зависит от величины ), уровень гармоник порядка 8% после прохождения параллельного контура уровень гармоник выходного напряжения снижается пропорционально Qn , например, если Q=2, а n=3, то в 6 раз и составляет 1,3%.

74