2. Згладжування пульсацій імпульсної напруги[3]

Напруга на виході регулюючого елемента u_d(t) є імпульсною (Рис.  1 .2). Для одержання на навантаженні сталої напруги, яка дорівнює середньому значенню вихідної напругиU_d, між регулюючим елементом і навантаженням вмикають згладжувальний фільтр. Оскільки конденсаторС завжди прагне зарядитися до максимального значення вхідної напруги, використання ємнісногоС-фільтра не дає можливості ефективно регулювати напругу на навантаженні шляхом зміни відносної тривалості імпульсівt_i/T. RCфільтри також практично не використовуються, оскільки вони не надають можливості використовувати головну перевагу імпульсних регуляторів – їх високий ККД. Найчастіше в імпульсних регуляторах використовують індуктивний (Рис.  2 .8) або індуктивно-ємнісний фільтр (Рис.  2 .9).

Рис. 2.8

Рис. 2.9

На відміну від звичайних L абоLCфільтрів, у такому випадку фільтр обов’язково доповнюється діодомVD, який називаютьзворотнім діодом. Цей діод пропускає струму дроселяLу ті інтервали часу, коли ключ розмикається. Коли ключ замикається, у навантаженняR_d протікає струм по колу, вказаному неперервною стрілкою. У цей інтервал часу 0…t_i(Рис.  1 .2) діодVD закритий, струм зростає і в елементах фільтраLтаСнакопичується енергія. Коли ключ розмикається, навантаженняR_dвідокремлюється від джерела живленняЕі струм у ньому підтримується за рахунок енергії, яка була накопичена в елементах фільтра. У цей інтервал часуt_i…Tконденсатор Срозряджається на навантаженняR_d.Струм дроселяLтакож протікає через навантаженняR_dі замикається через діодVD, який у цей час відкритий. Внаслідок цього енергія, яка була накопичена в дроселі, також передається до навантаження. Коло протікання струму дроселя в інтервалі часуt_i…Tпоказано пунктирною стрілкою.

Якщо згладжувальний фільтр складається з одного дроселя (L-фільтр) або навантаження імпульсного регулятора має активно-індуктивний характер (Рис.  2 .8), струм у навантаженні й елементах регулятора на інтервалах їх роботи змінюється за експоненціальним законом (Рис.  2 .10). В такому випадку напруга на опорі навантаженняR_dмає таку ж саму форму, а середнє значення цієї напруги визначається виразом ( 1 .1).

Якщо для згладжування пульсацій використовують LC фільтр (Рис.  2 .9), процеси в імпульсному регуляторі мають більш складний характер. Зокрема, можливі два режими роботи дроселя фільтра:

1. режим безперервного протікання струму в дроселі (Рис.  2 .11);

2. режим переривчастого протікання струму в дроселі (Рис.  2 .12).

Для спрощення будемо вважати, що індуктивність та ємність фільтра ідеальні, а ключ та діод є ідеальними ключами. Якщо фільтр має достатньо великий коефіцієнт згладжування, напруга на конденсаторіСє практично сталою і дорівнює середньому значенню напруги на виході імпульсного регулятора U_d.

Коли ключ замкнений, до дроселя Lприкладена напруга, яка дорівнює різниціE–U_d. Під дією цієї напруги струм у дроселіi_Lзростає (Рис.  2 .11), причому

Рис. 2.10

. (2.13)

Очевидно, що цей струм зростатиме лінійно

, (2.14)

де i_L(0) – початковий струм у дроселі в момент замикання ключа.

Під час розмикання ключа відкривається діод VDі струм дроселя протікає через нього. При цьому до дроселя прикладена напругаU_d в протилежному напрямку. Струм дроселя спадає і визначається з рівняння:

. (2.15)

Рис. 2.11

Очевидно, що цей струм спадає також за лінійним законом

, (2.16)

де i_L(t_i) – струм дроселя в момент розмикання ключа.

Отже, струм у дроселі пульсує відносно свого середнього значення I_d, яке дорівнює середньому значенню струму в навантаженніI_d=U_d/R_d (Рис.  2 .11). Очевидно, що коли амплітуда пульсації струму в дроселіi_L/2 буде більшою ніж середнє значення струмуI_d, у дроселі матиме місце режим переривчастого струму. Враховуючи, щоi_L=(E–U_d)t_i/L= U_dt_п/L, можна визначити мінімальну індуктивність дроселя, при якій ще забезпечується режим безперервного протікання струму (критична індуктивність)

.

(2.17)

Чим більша пульсація струму дроселя, тим більшою повинна бути ємність згладжувального фільтру, оскільки змінна складова струму дроселя протікає через конденсатор фільтру С. Крім того, зі збільшенням пульсації струму дроселя збільшується діюче значення струму в дроселі, конденсаторі, ключі та діоді. Внаслідок цього збільшуються втрати потужності в цих елементах. Тому режими близькі до режиму переривчастого струму в дроселі не є енергетично вигідними. Для потужних пристроїв доцільно застосовувати режими безперервного струму в дроселі. Вважається доцільним виконання такої умови

. (2.18)

Іншою перевагою режиму безперервного протікання струму в дроселі є те, що у цьому режимі середнє значення напруги на навантаженні не залежить від опору навантаження R_d. Оскільки в усталеному режимі середнє значення напруги на дроселіU_L=0, середнє значення напруги на навантаженні U_dдорівнює середньому значенню напруги на діодіU_VD, тобтоU_d=E.

У режимі переривчастого протікання струму в дроселі (Рис.  2 .12) середнє значення напруги на навантаженні U_d>Eі залежить від опору навантаженняR_d.

Рис. 2.12

В інтервалі 0…t_iключ замкнений і струм у дроселі зростає. В інтерваліt_i…Tключ розімкнений і струм дроселя зменшується, протікаючи через діодVD, який у цей час відкритий. Напруга на вході фільтраU_VD=0. В момент часуt' струм дроселя спадає до нуля і діодVDзакривається. До наступного моменту замикання ключаt=Tструм дроселя, а отже, і напруга на ньому дорівнює нулю. До діодаVDприкладена напруга конденсатораС, яка дорівнюєU_d. Струм навантаженняR_dв інтерваліt'…T підтримується тільки за рахунок енергії конденсатораС. Оскільки в усталеному режимі середнє значення напруги на індуктивностіU_L=0, середнє значення напруги на навантаженніU_d дорівнює середньому значення напруги на навантаженніU_d дорівнює середньому значенню напруги на діодіU_VD. З Рис.  2 .12 видно, щоU_dбуде більше ніжEна величину площі заштрихованої ділянки інтервалуt'…T. Згідно з ( 2 .17) при збільшенні опору навантаженняR_dтривалість інтервалуt'…Tбуде зростати. Отже, середнє значення вихідної напругиU_d буде зростати по відношенню до середнього значення напруги в режимі безперервного протікання струмуE.

У режимі переривчастого протікання струму дроселя середнє і діюче значення струму в елементах регулятора значно відрізняються, тому втрати потужності в елементах регулятора будуть більшими, ніж у режимі безперервного струму дроселя. Таким чином, гірші енергетичні показники, а також залежність вихідної напруги від опору навантаження є головними недоліками режиму переривчастого струму дроселя в імпульсних регуляторах на ідеальних ключах.

Якщо враховувати, що реальні силові напівпровідникові прилади, зокрема діод VD, не є ідеальними ключами, режим переривчастого струму дроселя може мати певні переваги. Відомо, що коли через діод протікав якийсь струм, а потім до нього раптово прикласти зворотну напругу, на протязі певного часуt_{вимикання}, поки діод відновлює свої вентильні властивості, через нього буде протікати струм у зворотному напрямку. Початкова величина цього струму обмежується тільки опором елементів зовнішнього кола. В режимі безперервного струму дроселя в момент включення ключаSчерез діодVDще дроселяL. Оскільки діод не може закритися миттєво, на інтервалі відновлення його вентильних властивостей опір елементівS іVDдуже малий і по колу (+Е)–VT–VD–(–E) короткочасно протікає струм значної величини (комутаційний струм). Цей струм значно збільшує втрати потужності в напівпровідниковому ключі та діоді в момент комутації і часто є причиною їх руйнування. На Рис.  2 .11 комутаційний струм діода та ключа показано штриховою лінією. Для зменшення комутаційного струму треба застосувати високочастотні діоди з малим часом відновлення вентильних властивостей. Якщо регулятор працює в режимі переривчастого струму дроселя, то в момент відкривання транзистораVT діодVDуже закритий і комутаційний струм не виникає. Тому, для боротьби з комутаційним струмом, доцільно забезпечувати роботі імпульсного регулятора на межі режиму безперервного струму дроселя. При цьому в момент замикання ключаSструм дроселяL, а отже, і діодуVDпроходить через нуль і комутаційний струм не виникає.

Отже, згладжувальний фільтр найчастіше є обов’язковим елементом імпульсного регулятора. Якщо навантаження має активно-індуктивний характер (обмотки збудження електричних машин, двигуни постійного струму, електромагнітні механізми), для згладжування пульсацій струму найчастіше застосовують індуктивний Lфільтр. Якщо в процесі роботи опір навантаження може різко змінюватися, або необхідна стала напруга на навантаженні (пристрої автоматики, зв’язку, електронна апаратура), вихідний опір джерела живлення повинен мати незначну величину. У цьому разі на виході імпульсного регулятора ставлять згладжувальнийLC-фільтр.

В [4] показано, що параметри елементів згладжувального фільтра визначають з урахуванням допустимого коефіцієнта пульсацій вихідної напруги K_п=U_d/2U_d

.

(2.19)

Вибравши ємність конденсатора Сз урахуванням заданого вихідного опоруr_i=U_d/I_d, з ( 2 .19) можна визначити необхідну індуктивність дроселяL. Дуже часто під час вибору елементів згладжувального фільтру намагаються забезпечити роботу дроселя в режимі безперервного струму. Якщо вибрати індуктивність дроселяL=L_кр( 2 .17), відповідно до ( 2 .19) ємність конденсатора фільтра

.

(2.20)

Аналіз одержаних результатів показує, що під час роботи імпульсного регулятора з LCзгладжувальним фільтром найбільш доцільно використовувати широтно-імпульсний метод регулювання. Оскільки такий регулятор працює на фіксованій частоті (T=const), масо-габаритні показники згладжувального фільтра ( 2 .19) для заданого діапазону регулювання будуть мінімальними. Під час частотно-імпульсного регулювання в процесі регулювання змінюється період імпульсівТ. Тому при виборі елементів фільтра необхідно виходити з найгіршого випадку, тобто мінімальної частоти (максимального періодуТ).

Якщо порівняти два варіанти частотно-імпульсного регулювання, то перевагу слід віддавати частотно-імпульсному регулюванню зі сталою тривалістю паузи (ЧІР-б), оскільки тут при зростанні періоду Ттривалість паузи не змінюється. Для частотно-імпульсного регулювання зі сталою тривалістю імпульсу (ЧІР-а) зростання періоду супроводжується одночасним зростанням тривалості паузиt_п. Отже, згідно ( 2 .19), для такого способу регулювання масо-габаритні показники згладжувального фільтра будуть найгіршими.

Частотно-імпульсне регулювання зі сталою тривалістю паузи (ЧІР-б) має цікаву властивість. Згідно з ( 2 .17) критична індуктивність LC-фільтра не залежить від частоти роботи регулятора. Для сталої тривалості паузи (t_п=const) можна забезпечити роботу регулятора на межі режиму безперервного протікання струму в дроселі в усьому діапазоні регулювання. Як зазначалося вище, такий режим дає можливість працювати без комутаційних струмів у ключіVTі діодіVDу момент замикання ключа. Отже, під час роботи імпульсного регулятора в режимі стабілізації, при невеликих відхиленнях напруги живлення відносно свого номінального значення, поряд з ШІР можна використовувати також ЧІР­б.

Якщо використовується згладжувальний фільтр, у стабілізаторах може застосовуватися комбіноване регулювання.

Наприклад, у двопозиційних стабілізаторах замикання і розмикання ключа відбувається тоді, коли вихідна напруга виходить за межі заданого діапазону. В такому випаду, за рахунок зміни тривалості t_i таt_пдосягається швидке реагування регулятора на всі зміни вихідної напруги.

Отже, імпульсний метод регулювання має такі переваги в порівнянні з безперервним регулюванням:

1. високий ККД;

2. ефективне використання параметрів регулюючого елемента, який може працювати в режимах, близьких до максимально припустимих значень струму та напруги;

3. менші масо-габаритні показники, оскільки завдяки високому ККД втрати потужності незначні і немає потреби в радіаторах для розсіювання тепла, яке виділяється;

4. менша чутливість до зміни температури оточуючого середовища, оскільки регулюючим фактором є тривалість імпульсу, а не опір регулюючого елементу.

У той же час імпульсні регулятори не позбавлені недоліків:

1. необхідність застосування згладжувальних фільтрів;

2. менша швидкодія, пов’язана з використанням фільтрів;

3. виникнення під час роботи електромагнітних завад, пов’язаних з великими швидкостями зміни струму та напруги в елементах регулятора.

Розглянута схема (Рис.  2 .9) є одним з можливих варіантів побудови силового кола імпульсних регуляторів сталої напруги. Вона називається схемою з послідовним з’єднанням силового ключа, дроселя і навантаження (схема 1 – понижуючий імпульсний регулятор напруги; інші назви:chopper(переривник),buck(дробити)converter,step-downconverter). Особливістю цієї схеми є те, що тут у навантаженні не можна одержати напругуU_d, більшу від напруги джерела живлення (U_d≤E). Існують й інші схеми побудови силового кола імпульсного регулятора, властивості яких суттєво відрізняються від розглянутої схеми.