рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Понижающий и повышающий преобразователи

Понижающий и повышающий преобразователи - раздел Электроника, Ивэп для питания электронной аппаратуры. Основные требования к ивэп для питания электронной аппаратуры Широтно - Импульсные Преобразователи (Шип) Предназначены Для Регулиров...

Широтно - импульсные преобразователи (ШИП) предназначены для регулирования величины выходного напряжения методом широтно - импульсной модуляции (ШИМ) при сохранении на выходе того же рода тока, что и на входе. В зависимости от рода тока различают ШИП постоянного и переменного напряжений. В ИВЭП применяются ШИП постоянного напряжения; они предназначаются для стабилизации напряжения и ограничения токовых перегрузок.

В зависимости от сложности выполняемой преобразовательной функции различают простые и составные ШИП. Простые ШИП выполняют элементарные функции понижения и повышения напряжения и имеют наиболее простые силовые схемы. Составные ШИП получают соединением простых, что позволяет реализовать более сложные функции.

На рис. 1.4.1,а показан понижающий ШИП. Силовая схема, наведенная жирными линиями, состоит из источника постоянного напряжения uп как источника питания, коммутатора, выходного фильтра и нагрузки Zн. Коммутатор состоит из последовательного управляемого ключа (транзистор VT) и параллельного неуправляемого (диода VD). В ИВЭП применяют чаще всего двухзвенный Г - образный фильтр, состоящий из дросселя L как основного звена и конденсатора С как дополнительного. Дроссель необходим для выделения среднего значения импульсного напряжения на выходе коммутатора ШИП, поскольку при ШИМ регулируется именно среднее значение. Конденсатор улучшает фильтрацию при больших сопротивлениях нагрузки, когда условие , необходимое для эффективного подавления пульсаций, трудно выполнить. Кроме того, нагрузка часто содержит импульсные потребители тока. При отсутствии конденсатора в моменты нарастания и спада тока возникали бы кратковременные просадки и выбросы напряжения нагрузки. В результате совместного действия дросселя и конденсатора напряжение uн хорошо сглажено. При последующем анализе процессов положим его идеально сглаженным. Последовательный и параллельный ключи проводят ток поочередно. При включении в момент t0 транзистора напряжение питания uп поступает на выход коммутатора и запирает диод VD (рис.1.4.1,б). Разность между ним и напряжением нагрузки uн прикладывается к дросселю L и в нем запасается энергия, то есть ток iв нарастает (рис.1.4.1,в). Ток iв протекает на этом интервале в контуре uп,L,uн,VT. При выключении транзистора в момент t1 э.д.с. самоиндукции дросселя, которая стремится по правилу Ленца поддержать спадающий ток, приобретает полярность, помеченную на рис.1.4.1,а. Это приведет к отпиранию диода и ток iв замкнется в контуре L, uн, VD. Он поддерживается за счет запасенной в дросселе энергии. Энергия убывает, поэтому ток спадает. Выходная цепь коммутатора на этом интервале замкнута накоротко проводящим диодом, поэтому uв=0. Затем процессы повторяются с периодом Тп. Входной ток id (на рис.1.4-1,в показан штриховкой) также имеет импульсную форму: он совпадает с током iв при проводящем транзисторе.

В установившемся режиме напряжение на индуктивности L (на рис.1.4-1,а показано штриховкой) имеет нулевое среднее значение, поскольку индуктивное сопротивление wL на постоянном токе равно нулю. Следовательно, среднее напряжение нагрузки равно среднему значению выходного напряжения коммутатора за период:

, (1.4.1)

где - коэффициент заполнения - относительная длительность интервала, когда включен управляемый ключ.

Можно говорить, таким образом, о том, что в понижающем ШИП входное постоянное напряжение преобразуется в импульсное, а напряжение и ток нагрузки, вследствие инерционности выходного фильтра, определяются средним значением импульсного напряжения uв.

Можно представить себе также механический аналог понижающего ШИП. Движется тяжелое транспортное средство, например, поезд, в котором двигатель включается периодически на определенный интервал времени, а остальное время поезд движется по инерции. Вследствие большой массы поезда скорость его движения определяется не мгновенным, а средним усилием, создаваемым двигателем.

Изменяя коэффициент заполнения t, можно регулировать среднее напряжение на выходе коммутатора, а, следовательно, и напряжение нагрузки uн от нуля (при t=0) до uп (при t=1). Систему управления, которая это производит, называют широтно - импульсным модулятором. Ее узлы показаны на рис. 1.4-1,а тонкими линиями.

Задающий генератор ЗГ дает короткие импульсы с частотой широтно - импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 1.4-1,г). Ими запускается в действие генератор пилообразного (опорного) напряжения uоп, которое сравнивается с управляющим напряжением uу, вырабатываемым регулятором Р (рис. 1.4-1,д). В точках их равенства срабатывает компаратор КМ, выходной сигнал которого (рис. 1.4-1,е) через формирователь, на схеме не показанный, поступает на включение силового управляемого ключа. Регулятор выполняется как усилитель разности (рассогласования) между выходным сигналом датчика напряжения ДН, пропорциональным фактическому напряжению нагрузки uн, и заданием uз по этому параметру.

В повышающем ШИП в сравнении с понижающим (рис. 1.4-2) изменяется наоборот направление потока мощности, а, следовательно, меняются местами источник питания и нагрузка. Поскольку при этом изменяет направление ток дросселя, то должно быть изменено направление проводимости ключей коммутатора и их тип. Параллельный ключ должен стать управляемым, так как в противном случае источник питания uп будет удерживать ключ (диод) в открытом состоянии и разомкнутое состояние не может быть реализовано. В последовательном ключе достаточен диод, так как разомкнутое состояние обеспечивается автоматически напряжением uн при включенном VT.

При включении в момент t1 транзистора VT диод VD запирается, а источник питания подключается к дросселю L, в результате чего в дросселе запасается энергия. Ток на этом интервале протекает в контуре uп,L,VT. При выключении транзистора в момент t2 э.д.с. самоиндукции дросселя, стремящаяся поддержать ток, приобретает полярность, помеченную на рис.1.4-2,а. Добавляясь к напряжению uп, она открывает диод VD и ток id начнет протекать через нагрузку (контур uп,L,VD,uн). Мощность нагрузки на этом интервале покрывается не только за счет источника питания uп, но и за счет запасенной энергии в дросселе L, что и обеспечивает напряжение нагрузки более высокое, чем питающее.

Можно представить себе следующий механический аналог повышающего ШИП. Пусть на пути тяжелого транспортного средства периодически встречаются короткие крутые подъемы, которые не могут быть преодолены только за счет тяги, развиваемой двигателем. Если эти подъемы чередуются с длинными участками ровной дороги, на которых транспортное средство может развить достаточную скорость, то преодоление подъемов достигается за счет совместного действия тяги двигателя и энергии движения.

В установившемся режиме среднее напряжение на индуктивности L равно нулю и, следовательно, напряжение питания uп равно среднему значению входного напряжения коммутатора (рис.1.4-2,б)

, откуда (1.4.2)

При t=0 имеем uн=uп, при t>0 uн>uп, а при 1 напряжение нагрузки растет неограниченно. В реальном ШИП оно ограничивается за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания, которое при выводе (1.4.2) не учитывалось. Однако этот фактор действует лишь под нагрузкой, а на холостом ходу может получиться очень большое напряжение на выходе, которое в состоянии пробить конденсатор С или диод VD.

Из сказанного вытекает существенный недостаток повышающего ШИП: он не позволяет эффективно ограничивать токовые перегрузки при коротких замыканиях на выходе, поскольку напряжение нагрузки не может в нем регулироваться до нуля. Поэтому повышающий ШИП в чистом виде применяется реже понижающего. Однако он входит в качестве узла в составные ШИП, в частности, в полярно - реверсирующий, который широко используется в ИВЭП.


1.4.2. Полярно - реверсирующий ШИП

Его схема (рис.1.4-3,а) может рассматриваться как последовательное соединение понижающего и повышающего ШИП с объединением коммутаторов. Чтобы это показать, на рис. 1.4-3,б изображено простое последовательное соединение понижающего и повышающего ШИП, при этом дроссель L является выходным для понижающего и входным - для повышающего ШИП. Наложим также дополнительное условие на схему рис.1.4-3,б, а именно потребуем, чтобы управляемые ключи SS2 замыкались и размыкались одновременно. Тогда при замкнутых S1, S2 оба диода выключены источникамии , а дроссель L подключен к источнику питания через последовательно соединенные S1,S2, накопляя энергию. При размыкании ключей S1,S2 оба диода одновременно включаются за счет э.д.с. самоиндукции дросселя и происходит передача накопленной энергии нагрузке и конденсатору С. Получается, что оба диода также коммутируют одновременно, и также соединены последовательно. Поэтому их можно объединить, как и управляемые ключи, получая схему рис.1.4-3,a. Она отличается только тем, что при изменении месторасположения дросселя придется изменить направление проводимости диода, чтобы оно было согласовано с направлением тока i, а также полярность напряжения uн, чтобы оно оставалось для диода запирающим. Изменение полярности напряжения нагрузки в сравнении с питающим стало основанием для того, чтобы назвать получающийся ШИП полярно - реверсирующим.

На рис.1.4-3,в-д приведены диаграммы, поясняющие работу схемы при допущении, что идеально сглажены напряжение нагрузки uн и ток дросселя i (и ). В интервале накопления энергии tTп замкнут S, а VD выключен под воздействием суммы напряжений uп и. uн. Напряжение на дросселе в интервале накопления равно uп, а ток ключа S равен i. В интервале разряда ключ S разомкнут, а ток i протекает в диоде и на выходе, поддерживаясь за счет э.д.с. самоиндукции дросселя. Напряжение на обмотке дросселя равно при этом uн.

В установившемся режиме положительная и отрицательная волны напряжения на обмотке дросселя имеют одинаковые площади, что позволяет определить соотношение между напряжениями нагрузки и питания:

(1.4.3)

Как и следовало ожидать, оно оказалось равным произведению соответствующих соотношений для понижающего и повышающего ШИП. При имеем m®0 , что позволяет, как и в понижающем ШИП, ограничить перегрузки по току путем регулирования t. Вместе с тем, при t®1, имеем m®¥, то есть составной ШИП позволяет как понижать, так и повышать напряжение нагрузки против напряжения питания. При t=0.5 оба напряжения равны.

Ток нагрузки равен среднему току

, откуда (1.4.4.)

Величина i совпадает с амплитудой тока ключа S. В понижающем ШИП имеем , а здесь получаем равенство токов лишь при , а при t ¹ 0 имеем i >iн. При t=0.5 амплитуда тока ключа вдвое превышает ток нагрузки, что является недостатком данного ШИП в сравнении с понижающим. Больше и амплитуда напряжения на ключе S и на диоде VD (она равна , а в понижающем только uп).

Худшие энергетические показатели полярно- реверсивного ШИП объясняются тем, что в нем вся энергия, передаваемая нагрузке, проходит через промежуточный энергонакопитель - дроссель. В повышающем ШИП э.д.с. самоиндукции дросселя добавляется к напряжению питания, давая в сумме напряжение нагрузки. Следовательно, часть энергии потребляется непосредственно от источника питания без преобразования коммутатором.

В связи с недостатками энергетического характера, полярно - реверсирующий ШИП как самостоятельное устройство применяется редко. Однако можно использовать полезно тот же самый факт передачи всей энергии через дроссель, если необходим трансформатор, как это и имеет место в схеме ИВЭП, которая широко распространена , так как содержит всего один магнитный элемент. Она будет рассмотрена в разд. 1.6.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. В чем назначение ШИП вообще и в схеме ИВЭП конкретно?

2. Каким образом классифицируются ШИП?

3. Назовите состав схемы понижающего ШИП и поясните принцип его действия.

4. Какова роль запаса энергии в дросселе? Проведите аналогию в действии понижающего ШИП и инерционного механического устройства, приводимого в действие толчками.

5. Прокомментируйте работу системы управления понижающего ШИП.

6. Поясните схемные отличия повышающего ШИП и механизм повышения напряжения нагрузки против питающего. Приведите механические аналоги повышающего ШИП.

7. Сопоставьте понижающий и повышающий ШИП. Обоснуйте предпочтительность применения первого в схемах ИВЭП.

8. Каким образом действует полярно- реверсирующий ШИП? Как его можно свести к последовательному соединению понижающего и повышающего ШИП?

9. Какими недостатками и преимуществами обладает полярно- реверсирующий ШИП? Почему он нашел широкое применение в ИВЭП малой мощности?

 

1.5. Основные схемы ИВЭП.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Ивэп для питания электронной аппаратуры. Основные требования к ивэп для питания электронной аппаратуры

В первой части данного учебного пособия рассматриваются источники питания электронной аппаратуры в которых для улучшения технико экономических.. в.. где w число витков первичной обмотки ее потокосцепление а u напряжение на ней..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Понижающий и повышающий преобразователи

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Узел пуска - форсировки
Узел обеспечивает форсированное выключение силового транзистора, что позволяет повысить частоту за счет сокращения времени рассасывания носителей зарядов, а также сократить коммутационные потери пр

Односторонее насыщение сердечника силового трансформатора
Это негативное явление может возникать во всех двухтактных схемах ТПН, за исключением схемы Ройера, и ведет к иглообразным всплескам тока вида рис.1.3-1,в, но только в один из полупериодов р

Однотактные ТПН
Они обладают наиболее простой схемой и поэтому часто применяются на практике. Однако им свойствен и ряд специфических недостатков, в результате чего их применение ограничивается в основном преобраз

Ветвей схемы
На вторичной стороне трансформатора основные параметры определяются по мощности нагрузки Рн и ее среднему току , а на перв

Параметры коммутаторов
Основными параметрами являются амплитуды напряжения и тока ключа, а также средний ток через него. Для инверторного коммутатора они приведены в таблице 1.3.1, а для выпрямительного их можно получить

Параметры силового трансформатора

Управляющий трансформатор
Основное требование к нему состоит в малости амплитуды намагничивающего тока на интервале проводимости силового транзистора, поскольку он сн

Выбор схемы ТПН
Принимаются во внимание следующие соображения: 1. Чем меньше мощность ТПН

Способы соединения ШИП и ТПН
На рис.1.5-1 изображена схема понижающего ШИП. Как показано в работе [1], многоо

Прямоходовой преобразователь.
Он строится на базе однотактного ТПН рис.1.3-12 путем его совмещения с понижающи

Обратноходовой преобразователь
Его схема (рис 1.5-5) получается из полярно-реверсирующего ШИП добавлением вторичных об

Причины радиопомех и их виды
Полупроводниковые преобразователи являются источниками интенсивных радиопомех в широком частотном диапазоне от десятков килогерц до десятков и даже сотен мегагерц. Помехи проявляются в создании шум

Количественные характеристики помех
Помехи характеризуются в относительных единицах по отношению к базисному уровню, в качестве которого для напряжений помех принимается один микровольт. Используются обычные относительные и логарифми

Помехоподавляющие фильтры
Они создают препятствие для проникновения помех из преобразователя в сеть, и если это необходимо, в нагрузку. Как правило, достаточно решить задачу подавления несимметричной помехи, так как симметр

Элементная база помехоподавляющих фильтров
Ее особенности вытекают из условий работы фильтров, прежде всего высокой частоты подавляемых сигналов. Поэтому конденсаторы фильтров должны обладать возможно меньшей собственной индуктивностью

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги