ЭМПС / Лекции ЭМПС / Преобразователи постоянного напряж

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразование постоянного напряжения одного зна­чения в другое можно выполнить двумя путями. Первый заключается в последовательном включении в схему инвертора и выпрямителя, но при этом имеет место двукратное преобра­зование энергии со всеми присущими этому способу недостатками. Второй путь предполагает применение импульсных схем - импульс­ных преобразователей постоянного напряжения (ИППН) (рис. 1, а). С помощью импульсного преобразователя (ИП) источник постоян­ного напряжения периодически подключается к нагрузке (рис. 1, б), в результате на выходе собственно ИП формируются импульсы напря­жения. Если ключ считать идеальным, то КПД такого ИП приближает­ся к 100%.

Рис. 1. Схема (а) и прин­цип действия (б-г) ИППН

Формы напряжения на нагрузке и входного тока показаны на рис. 1, в, г.

Напряжение на нагрузке можно регулировать изменением времени открытого состояния ключа за период: чем больше относительная продолжительность включенного состояния ключа, тем больше среднее значение напряжения на нагрузке, и наоборот. В схемах ИП применяют два способа регулирования: 1) широтно-импульсное, при котором период работы ключа постоянен, а меняется длительность времени включенного состояния, 2) частотно-импульсное, когда остается постоянной длительность включенного состояния ключа, но меняется частота рабо­ты схемы, а за счет этого и среднее значение напряжения на нагрузке. Второй способ проще в аппаратурном отношении, но при первом легче осуществлять фильтрацию пульсирующего напряжения на нагрузке.

В качестве ключей наиболее целесообразно применять полностью управляемые устройства, т. е. транзисторы и ДОТ. Обычные тиристоры должны быть снабжены схемой выключения.

Одна из простейших схем ИППН показана на рис. 2. Она представляет собой последовательно включенные ключ (тиристор) VD, дроссель L, нагрузку R_н, шунтированную конденсатором С, и так называемый обратный диод VD2. При включении тиристора замыкается цепь VD1-L-R_н, при этом в дросселе происходит накопление электромагнитной энергии, поэтому напряжение на нагрузке нарастает по экспоненте. После выключения тиристора схемой управления СУ ток дросселя мгновенно измениться не может и замыкается по контуру L-R_н-VD2, поэтому спадание напряжения на нагрузке также замедляется. Конденсатор С, используемый в качестве емкостного фильтре, способствует уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке. Изме­няя с помощью схемы управления длительность пребывания тиристора во включенном состоянии, можно менять среднее значение напряже­ния на нагрузке (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема (а) и диаграмма работы (б) ИППН при широтно-импульсном регулировании

ИППН находят все более широкое применение в технике, в том числе судовом электрооборудовании, для регулирования и (или) ста­билизации напряжения на нагрузке (электроприводе постоянного то­ка, питаемого от аккумуляторов, зарядных устройствах аккумулято­ров, системах гарантированного электропитания и т. п.) благодаря ряду их преимуществ. К их числу относятся:

высокий КПД, так как потери мощности на регулирующем элемен­те ИП незначительны по сравнению с системами непрерывного регу­лирования;

малая чувствительность к колебаниям окружающей температуры;

высокое быстродействие, ограниченное только свойствами ключе­вого элемента;

высокая точность и большой диапазон регулирования напряжения на нагрузке;

возможность получения на нагрузке напряжения, превышающего напряжение питания, и даже обратного по знаку.

Несмотря на необходимость фильтрации напряжения на нагрузке, что требует иногда установки достаточно сложных фильтров, ухуд­шающих быстродействие ИП, и необходимость защиты источника пи­тания от импульсных помех, достоинства ИППН обеспечивают им все большее применение.

На рис. 3 приведены три упрощенные транзисторные схемы ИППН, состоящие из одних и тех же элементов.

Рис. 3. Схемы ИППН на транзисторах

Схема 3, а обеспечивает регулирование напряжения на нагруз­ке . Предельное значение достигается, если ключ по­стоянно замкнут.

С помощью схемы 3, б может быть достигнуто значение . Схема работает следующим образом. При включенном VT ток проте­кает только через индуктивность, в которой запасается электромагнит­ная энергия. После выключения VT ток сохраняет свое значение и про­текает через нагрузку, сопротивление которой намного больше сопро­тивления открытого транзистора. Во столько же раз может превы­сить Е, но нельзя забывать, что емкостной фильтр С заметно умень­шает это соотношение. Обратный диод VD препятствует разряду кон­денсатора через открытый транзистор.

Схема рис. 3, в, работая подобно предыдущей, позволяет получить на нагрузке напряжение, обратное по знаку входному.

В заключение рассмотрим схему импульсного стабилизатора напряжения.

В простейшем случае эта схема (рис. 4, а) включает генератор прямоугольных импульсов G, формирователь пилообразного напряжения ФПН, компаратор К, сравнивающий напряжения „пилы" с напряжением на нагрузке , и стабилизатор Ст для питания СУ. Если по каким-то причинам уменьшается, увеличивается длительность проводящего состояния транзистора VT, в нагрузку поступает больше энергии и напряжение восстанавливается (рис. 4, б). Быстродействие схемы определяется частотой генератора, а точность стабилизации - чувствительностью компаратора. На практике коэффициент стабилизации такой схемы может достигать 1000, а быстродействие - 1...10 мкс, мощность в нагрузке зависит от параметров силового элемента - транзистора или тиристора.

Рис. 4. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения (а) и диаграмма его работы (б)