knirs_4

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Калужский филиал

КНИРС

на тему

«ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ»

Вариант-4

Выполнил: Рыжухин Д.С.

Группа: РПД-С-61

Принял: Шагаев В.В.

Калуга, 2012

Цель работы: изучение принципов построения преобразователей постоянного напряжения с ШИМ.

Теоретическая часть

Для изменения постоянного напряжения с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM). Мощность от источника входного напряжения поступает в схему преобразователя короткими импульсами и с большой частотой. При этом, меняя ширину импульсов и усредняя поступающую в нагрузку мощность, можно регулировать выходное напряжение от нуля до некоторого максимального значения. Для усреднения используется конденсатор – он заряжается при подаче импульсов и отдает энергию в нагрузку в паузах между ними. Также последовательно с нагрузкой ставят дроссель, который тоже служит источником запасаемой энергии – в виде тока. Такие преобразователи при небольших габаритах способны питать мощную нагрузку и почти не расходуют энергию на собственный нагрев.

Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3.

На рис. 1 – 3 изображены три основные разновидности преобразователей постоянного напряжения: понижающий, повышающий и инвертирующий. Каждый из них состоит из трех частей: ключа мощности S, накопительного дросселя L и сглаживающего конденсатора C.

В схеме на рис. 1 ключ формирует переменное напряжение, среднее значение которого изменяется от уровня входного напряжения до нуля в зависимости от скважности тактовых импульсов.

В схеме на рис. 2 в исходном (верхнем) положении ключа будет U_a = U_e. С переводом ключа в нижнее положение накопительный дроссель запасает энергию, которая дополнительно поступит на выход, когда ключ вновь займет верхнее положение. Поэтому выходное напряжение оказывается выше входного.

В схеме на рис. 3 дроссель запасает энергию, пока ключ занимает левое положение. С переводом ключа в правое положение ток дросселя сохраняет свое направление и заряжает конденсатор до отрицательного значения, если входное напряжение положительно.

Регуляторы с ШИМ используются для построения стабилизаторов напряжения. Коммутационный сигнал в этом случае формируется цепью обратной связи (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема стабилизатора с ШИМ.

ШИМ использует транзисторы не в активном (линейном), а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0 %, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность так же мала.

Понижающий преобразователь

№варианта	Ue, В	Ua, В	Ra, Ом	f, кГц	ΔUa, мВ	α
4	18	8	5	100	25	1.15

1. Из формулы (3) рассчитаем коэффициент заполнения импульсов p = t_вкл/T (в %):

.

По формулам (7) и (8) рассчитаем индуктивность и емкость:

[Гн] = 51 [мкГн],

2. Построим модель преобразователя в программной среде Electronics Workbench.

,

Рис. 5. Модель в Electronics Workbench (версия 11.0. Pro) понижающего преобразователя.

Отметим следующие особенности:

а) использованы идеальные модели всех элементов;

б) транзистор должен работать в ключевом режиме, что обеспечивается выбором резистора в цепи базы R_b и амплитуды генератора U_ampl; с учетом падений напряжений на последовательном диоде и эмиттерном переходе (полагаем, с запасом, по 1 В) имеем:

β=100 - коэффициент передачи постоянного тока транзистора (приведен в Component Properties > Edit > Forward current gain coefficient). Подстановка значений дает

в) коэффициент заполнения (Duty cycle) составляет 45%, что практически равно расчетному значению 44.44%; корректировка была сделана в ходе исследования модели для того, чтобы добиться требуемого значения выходного напряжения (близкого к 8 В);

г) на канал «В» осциллографа выведена переменная составляющая выходного напряжения (режим индикации – «АС») – именно она характеризует уровень пульсаций, и на осциллограмме видно, что ΔU_a составляет 24.815 мВ при выбранном значении 25 мВ.

3. Введем в схему элементы, позволяющие наблюдать ток, текущий через дроссель. Напряжение, подаваемое на канал «А» осциллографа с выхода ОУ, связано с током дросселя зависимостью I_L[A] = 100U_ОУ [В] .

Рис. 6. Схема с возможностью наблюдения и измерения тока дросселя.

Рис. 7. Осциллограммы коммутационных импульсов и тока дросселя.

4. Исследуем изменение режима работы преобразователя, возникающее при малых токах нагрузки. Данный режим можно реализовать, если сопротивление нагрузки выбрать больше некоторого значения R₀, определяемого формулой:

Снимем осциллограммы тока дросселя для R_a = R₀ и R_a = 2R₀

Рис. 8. Модель работы преобразователя вблизи пограничного режима.

Рис. 9. Работа преобразователя в прерывистом режиме.

Из осциллограммы на рис. 8 данных видно, что увеличение R_a до значения R_a = 2R₀ привело к уменьшению дроссельного тока в промежутке между импульсами до нулевого значения. При этом, как и отмечалось в теоретической части, выходное напряжение увеличилось.

Повышающий преобразователь

№варианта	Ue, В	Ua, В	Iamin, А	Iamax, А	f, кГц	ΔUa, мВ
3	8	18	0.4	1.4	100	25

1. Рассчитаем коэффициент заполнения импульсов p = t_вкл/T (в %), индуктивность и емкость:

.

[Гн] = 25 [мкГн],

[Ф] = 311 [мкФ].

2. Построим модель преобразователя в программной среде Electronics Workbench.

При выборе амплитуды сигналов генератора U_ampl и резистора в цепи базы транзистора R_b было использовано неравенство:

; ;

Для значения U_ampl = 3 В и транзистора с получим R_b < 25 Ом. Кроме того, была произведена корректировка расчетного значения p (55.55%).

Для наблюдения максимальных пульсаций выходного напряжения выбрана нагрузка с сопротивлением [Ом]. на осциллограмме видно, что ΔU_a не превосходит 22, 674 мВ при выбранном значении 25 мВ.

Рис. 10. Модель повышающего преобразователя.

3. Как и ранее введем в схему элементы, позволяющие наблюдать ток, текущий через дроссель (рис. 10). По-прежнему, напряжение, подаваемое на канал «А» осциллографа с выхода ОУ, связано с током дросселя зависимостью I_L[A] = 100U_ОУ [В].

Рис. 11. Схема с возможностью наблюдения и измерения тока дросселя.

Рис. 12. Непрерывный режим работы с большим током нагрузки.

Установим выходной ток вблизи I_amin. Для этого необходимо изменить сопротивление нагрузки, и теперь оно будет [Ом]. Наблюдаем изменение тока дросселя на осциллограмме .

Рис. 13. Непрерывный режим работы с малым током нагрузки.

Инвертирующий преобразователь

№варианта	Ue, В	|Ua1|, В	|Ua2|, В	Iamin, А	Iamax, А	f, кГц	ΔUa, В
3	8	-4	-18	0.4	1.4	100	25

1. Рассчитаем коэффициенты заполнения импульсов p = t_вкл/T (в %), индуктивности и емкости

[Гн] = [мкГн],

[Ф] = [мкФ].

2. Выполним моделирование работы схем в программной среде Electronics Workbench.

Рис. 14. Преобразователь с инвертированием и понижением напряжения.

В схеме использован p-n-p транзистор и по сравнения с предыдущими схемами изменена полярность подключения генератора. При этом параметр генератора Duty cycle на выходе «-» характеризует заполнение периода отрицательным сигналом, и именно таким сигналом замыкается транзисторный ключ. Кроме того, нагрузки с током = 1.4 А в схемах разные – R_a = 2 Ом для U_a1 = –4 В и R_a = 12 Ом для U_a2 = –18 В. Ключевой режим работы транзистора обеспечивается выбором резистора в цепи базы и амплитуды сигнала генератора в соответствии с неравенством:

; ;

(при этом учтена двуполярность сигнала генератора). Выбор минимального допустимого значения U_ampl = 3 В и подстановка значений других параметров дает: R_b < 521 Ом; R_b < 241 Ом

Рис. 15. Преобразователь с инвертированием и повышением напряжения.

Вывод: результаты моделирования с использованием идеальных моделей элементов и теоретические расчеты находятся в хорошем соответствии, есть небольшое несоответствие ΔU_a , это связанно с тем что приходилось повышать коэффициент заполнения для того чтобы добиться требуемого выходного напряжения.