6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения

Схема преобразователя с повышением напряжения приведена на рис. 6.5. В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекая через дроссель L, увеличивается, при этом в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Дроссель отдаёт энергию в нагрузку и ток постепенно уменьшается. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.

Рис.6.5. Схема с повышением напряжения

Таким образом, в течение времени , токi˪ ,идет через транзи­стор, и запасается энергия в индуктивности. Затем, в течение ин­тервала времени Т-, токидет через диод на зарядку конденса­тора и на нагрузку. Постоянная составляющая тока не проходит через конденсатор, поэтому среднее значение тока протекающего через нагрузку равноI_н=I_d(1-γ). Здесь y-относительное время включенного состояния транзистора.

С учетом справедливости равенства мощностей на входе и выходе:

^• (6.2)

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать, то есть инвертировать.

6.2.3. Инвертирующий преобразователь

Схема инвертирующего преобразователя приведена на рисунке 6.6.

В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и в нём запасается энергия. При размыкании ключа на L возникает ЭДС самоиндукции, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D за счёт запасенной энергии, при этом заряжается конденсатор С. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника, поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S разомкнут — диод D закрывается и нагрузка питается зарядом конденсатора C.

Рис. 6.6. Схема инвертирующего преобразователя

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД.

6.3. Другие разновидности преобразователей

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Например, такие преобразователи, как обратноходовый преобразователь и двухтактный преобразователь(конверторы) имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

В настоящее время применяют два типа конверторов: импульсные преобразователи постоянного напряжения с самовозбужде­нием; импульсные преобразователи постоянного напряжения c внешним возбуждением.

Преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением используют в аппаратуре малой и средней мощностей. Структур­ная схема такого, преобразователя изображена на рис. 6.7. С по­мощью этой схемы можно представить себе работу конвертора с самовозбуждением.

Преобразователь с самовозбуждением ПС пре­вращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямо­угольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до требуемого значения.

После выпрямления выпрямителем Воно подается на сглаживающий фильтр Ф, к выходу которого подключена нагрузка Z_Н.

В этом конверторе работа всех блоков, кроме преобразователя с само­возбуждением, рассматривалась ранее. Поэтому далее остановим­ся только на принципе действия блока ПС.

В конверторах с самовозбуж­дением в качестве ключей приме­няют транзисторы, включаемые по двухтактной схеме (рис. 6.8).

Работу преобразователя с самовозбуждением можно разбить условно на

этапы: действие положительной обратной связи и перемагничивание сердечнка.

Рассматриваемый преобразователь представляет собой релакса­ционный генератор импульсов прямоугольной формы с трансфор­маторной положительной обратной связью. Для обеспечения та­кой формы генерируемых колебаний материал сердечника транс­форматора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы (рис. 6.9). Наибольшее применение в подобных устройствах находит включение транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как именно такое включение обеспечивает большой коэффициент усиления по мощности.

При подаче на конвертор напряжения Е от источника ЭДС, которое следует преобразовать, в транзи­сторах появляются токи i_к1, i_к2. Эти токи по каким-либо причинам (чаще всего из-за естественного технологического разброса) не будут равны между собой. Допустим, что i_k1 > i_к2. Тогда результирующая магнитодвижущая сила м. д. с. F = ω' i_k1 - ω' i_к2 создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления, когда наведенная ЭДС в обмотках обратной связи ω'_ос, ω''_ос ещё больше будет увеличивать ток i_k1 транзистора V1 и уменьшать ток i_к2 транзистора V2. Изменения токов заканчиваются тогда, когда транзистор V1 полностью откроется, а транзистор V2 закроется. Процесс изменения коллекторных токов, а следовательно, отпирания и запирания транзисторов происходит лавинообразно, в результате чего в выходном напряжении формируется крутой передний фронт. На этом заканчивается первый этап работы пре­образователя. Возросший скачком ток i_k1 приводит к изменению магнитной индукции сердечника от значения –В_r, при котором трансформатор находился в начале рассматриваемого этапа ра­боты, до значения +В_r. При этом в сердечнике появляется магнит­ный поток Ф, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +В_r, скорость нарастания магнит­ного потока уменьшается. Уменьшаются и ЭДС, наводимые в обмотках ω'_ос, ω''_ос, в результате чего появляется небольшой кол­лекторный ток i_к2 в запертом ранее транзисторе V2, а коллектор­ный ток i_к1 транзистора V1 несколько уменьшается. Направление МДС в сердечнике изменяется на противоположное. Начинает действовать положительная обратная связь, что приводит к за­пиранию транзистора V1 и отпиранию транзистора V2. Далее процессы повторяются вновь. Необходимо отметить одну особен­ность работы конвертора с самовозбуждением, которая заключается в том, что выпрямляется не синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, а переменное напряжение прямоугольной или близкой к ней формы с частотой, доходящей до 50 кГц. Силовые же диоды, применяемые в выпрямителях, имеют, как известно, инерционные свойства. При выпрямлении напряжений с крутыми фрон­тами выпрямительные диоды в моменты времени, когда фронты нарастают и происходит спад импульса, теряют свойства односторонней проводимости. При частоте выпрямленного напряжения больше допустимого значения, указанного в паспорте, эти диоды вообще перестают выпрямлять.

Отметим, что регулирование постоянного напряжения на на­грузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий КПД импульсных преобразо­вателей постоянного на­пряжения. В этом от­ношении неуправляемый выпрямитель, работаю­щий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрями­телем.

Преимуществом им­пульсных преобразова­телей постоянного на­пряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением яв­ляется то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до не­скольких киловольт и на токи до сотен ампер при прямом паде­нии напряжения, равном нескольким вольт. Это позволяет созда­вать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источ­ником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батареи, термоэлектрические генераторы.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается принцип работы ИРПН?

2. Почему регуляторы первого рода могут работать только на понижение напряжения, а регуляторы второго рода могут повышать питающее напря­жение?

3. Задача: напряжение источника питания ИРПН первого рода E_d = 12 В и изменяется от E_d до 0,8 E_d, ток нагрузки 1 А, напряжение на нагрузке U_n = 5 В, частота переключения ключа к_f = 1000 Гц. Опреде­лить: 1) изменение коэффициента заполнения γ_min – γ_max для получения стабильного напряжения на нагрузке; 2) время импульса t и время паузы при E_d = 12 В; 3) необходимое значение индуктивности L, обеспечиваю­щее колебания тока нагрузки _{imах - imin} = 0,01/I_н при Un=12 В.