6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью бесконтактного ключа импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ИП формируются импульсы напряжения.
Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить изменением параметров выходных импульсов: длительности tu или периода следования Т.
Наибольшее распространение получили широтно-импульсный (ШИП) tи = var, T = const; частотно-импульсный (ЧИП) tи = const, T = var и времяимпульсный (ВИП) tи = var, T = var способы регулирования [10]. При этом регулируется относительное время проводимости управляемого вентиля, что приводит к плавному изменению среднего или действующего значения напряжения на нагрузке.
ИП постоянного U можно классифицировать по ряду признаков:
По соотношению входного и выходного напряжения: а) понижающие; б) повышающие; в) с произвольным изменением напряжения; г) инвертирующие.
По типу ключевого элемента: а) на полевых транзисторах; б) на тиристорах; в) на биполярных транзисторах.
Интегрирующим элементом может быть: а) дроссель; б)конденсатор; в) аккумулятор.
В зависимости от режима работы могут быть регуляторы: на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ); двухпозиционные (или релейные).
Различают реверсивные и нереверсивные ИП. Нереверсивные преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсы постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности, а реверсивные — входное напряжение в переменное, разной по полупериодам длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.
6.1. Импульсный регулятор напряжения
Импульсный регулятор напряжения — это регулятор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента-конденсатора или индуктивности: напряжение повышается по мере накопления ими энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.
Простейшим примером такого интегрирующего элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания). Наличие сопротивления в цепи заряда конденсатора необходимо для ограничения тока ключа и источника питания.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения находят широкое применение в качестве стабилизаторов, регуляторов и конверторов напряжения, источников питания обмоток возбуждения электрических машин и электромагнитных механизмов, двигателей постоянного тока.
6.1.1. Импульсный регулятор с шим
На рисунке 6.1. изображена функциональная схема импульсного стабилизатора на основе широтно-импульсной модуляции.
Рис. 6.1. Функциональная схема импульсного стабилизатора с ШИМ
Входное напряжение U1 через ключ (1) поступает на интегратор (2). Интегратор накапливает энергию, подаваемую с ключа и отдаёт её в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднённое значение напряжения, зависящее от входного напряжения, скважности импульсов, от частоты генератора и ёмкости конденсатора. Это напряжение с помощью операционного усилителя (4) сравнивается с опорным напряжением с эталона (6), а разница между ними поступает на модулятор (3). Модулятор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, скважность которых зависит от разности между опорным и выходным напряжением. Обычно генератор выдаёт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания. Импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).