Порівняння понижуючого та підвищуючого регуляторів з інвертуючим[2]
Вище були визначені відмінності в регулювальних властивостях усіх трьох регуляторів. Важливим для практики є порівняння двох регуляторів (схеми 1 та 2) з інвертуючим регулятором (схема 3), оскільки остання схема може функціонально замінити як понижуючий, так і підвищуючий регулятор.
Для початку необхідно вияснити різницю в установленій потужності необхідних електронних приборів. Під встановленою потужністю Рв ключа чи діода будемо розуміти добуток середнього значення струму за час провідного стану на напругу за час замкненого стану. Для ключа:
PвS=ISсерUS.
(5.43)
Для діода:
PвVD=IVDсерUVD.
(5.44)
Для всіх розглянутих схем регуляторів маємо ISсер=IVDсертаUS=|UVD|. Відповідно, для аналізу достатньо провести порівняння тільки ключів, а для діодів результати будуть аналогічними.
Для понижуючого регулятора (схема 1):
(5.45)
Для підвищуючого регулятора (схема 2):
(5.46)
Для інвертуючого регулятора (схема 3):
(5.47)
Співвідношення ( 5 .45)–( 5 .47) дозволяють провести наглядне порівняння регуляторів.
На Рис. 5 .20 показані залежності відносних установлених потужностей (PвS/Pd, PвVD/Pd) усіх трьох регуляторів відUd/E.
Рис. 5.20. Відносна встановлена потужність ключа та діода для понижуючого (схема 1), підвищуючого (схема 2) та інвертуючого (схема 3) регуляторів
Можна бачити, що схема 1 та схема 2 потребують однакових за встановленою потужністю ключів та діодів. Значно більшої потужності необхідні електронні прибори для схеми 3.
Порівняємо енергії дроселів в розглянутих схемах. Це порівняння необхідне для оцінки об’ємів дроселів, їх маси, а також вартості. Припустимо, що індуктивність дроселя у кожної схеми визначається за умови неперервності в ньому струму. Енергію дроселя в кожній схемі будемо визначати для середнього струму IL.
Для схеми 1 маємо з ( 2 .17) та регулювальної характеристики ( 1 .7):
.
(5.48)
Струм ILдля схеми 1 дорівнює номінальному струму навантаження (Id). Отже, енергію дроселя в схемі 1 можна записати:
,
(5.49)
де Kd=Id/ Idmin – кратність зміни струму навантаження.
Розділивши енергію дроселя на Pd/f– енергію, що передається до навантаження за один період роботи схеми, отримаємо енергію дроселя для схеми 1 у відносних одиницях:
.
(5.50)
Аналогічно, використовуючи ( 3 .21) і ( 3 .29) та ( 4 .33) і ( 4 .41):
для схеми 2
;
(5.51)
для схеми 3
.
(5.52)
За співвідношеннями ( 5 .50)–( 5 .52) на Рис. 5 .21 побудовані залежності відносної енергії дроселя кожної схеми регулятора від Ud/E. Значення кратності зміни струму навантаження для всіх схем прийнято рівним 5. Можна бачити, що для схеми 1 та схеми 2 необхідна енергія дроселя, яка вибирається за умови забезпечення режиму неперервного струму, однакова (передбачається однакова потужністьPd, частота роботи та кратність зміни струму навантаження).
Рис. 5.21. Відносна енергія дроселя в залежності відUd/E
З іншого боку, необхідна енергія дроселя у схемі 3 за тих же умов роботи значно перевищує енергію дроселів двох інших схем. Особливо велика різниця, якщо вхідна та вихідна напруги повинні незначно відрізнятися між собою.
Розглянемо, які необхідні ємності конденсаторів для розглядуваних схем.
Схема 1:
Виразивши значення ємності з ( 2 .17), та підставивши у отриманий вираз значення граничної індуктивності Lгр ( 2 .19), й використовуючи визначення коефіцієнту пульсаційKп=U~/Ud, отримаємо:
.
(5.53)
Оскільки постійна напруга на конденсаторі схеми 1 дорівнює вихідній, то його енергія може бути записана у вигляді:
(5.54)
Відносна енергія конденсатора (енергія, віднесена до Pd/f) дорівнює:
.
(5.55)
Схема 2
Для цієї схеми UC=Ud. Використовуючи ( 3 .27), отримаємо:
.
(5.56)
У відносному вигляді енергія конденсатора схеми 2 запишеться у вигляді:
.
(5.57)
Схема 3
Виразивши з ( 4 .39) ємність Сй враховуючи, щоUC=Ud, отримаємо:
.
(5.58)
У відносному вигляді енергія конденсатора схеми 3 запишеться у вигляді:
.
(5.59)
На Рис. 5 .22 порівнюються відносні енергії конденсаторів у розглянутих схемах. Коефіцієнт пульсацій Kпприйнятий рівним 0,01,Kd=5,min=0,2. З рисунку можна бачити, що схема 3 значно програє за необхідною енергією конденсатора двом іншим схемам.
Рис. 5.22. Відносна енергія в конденсаторах