Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



Если источник постоянного тока подключать к нагрузке с по мощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа, то среднее значение напряжения на нагрузке составит /

где tu - длительность импульса замкнутого состояния ключа; Т - период коммутации; i{t) - текущее значение тока. При индуктивном характере нагрузки ключа, шунтированной диодом, такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой емкости, то переменная составляющая тока контура будет замыкаться через него, а пульсации напряже-дия на нагрузке будут незначительны.

Это условие-может выполняться в трех вариантах соединения силовых элементов: в схеме с последовательным включением тран-зи\;тора и последовательным включением дроссбля (рис. 3.16); в схеме с последовательньШ включением транзистора и параллель-

Рис. 3.16. Схема импульсного регуля- Рис. 3.17. Схема импульсного регулятора с последовательным включением тора с последовательным включением транзистора и последовательным вклю- транзистора и параллельным вклю.чени-чением дросселя ем дросселя

ным включением дросселя (рис. 3.17); в схеме с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора (рис, 3.18). Эти схемы имеют следующие свойства; а) первая схема позволяет получить на нагрузке напряжение, равное или меньшее напряжения питания; б) вторая схема позволяет получить напряжение, большее или меньшее напряжения питания; при этом напряжение на выходе стабилизатора инвертируется; в) третья схема позволяет получить напряжение, равное или большее напряжения питания.


<? +

Рис. 3.18. Схема импульсного регулятора с

последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора

Коэффициент передачи постоянного тока от входа схемы к нагрузке зависит от относительной длительности импульса tJT, ко-Topyio часто называют коэффициентом импульсного заполнения Кз- Зависимость напряжения на нагрузке для трех возможных схем 0Т\ коэффициента заполнения импульсов показана на рис. 3.19. Известны различные варианты построения силовых цепей транзисторных импульсных регуляторов постоянного напряжения (в том числе с трансформаторами), однако все они могут быть сведены к трем, рассмотренным выше.

UulUn

-1 -


3 ;

макс

. « >

Рис. 3.19. Графики зависимости выходного напряжения регуляторов трех типов от коэффициента заполнения:

/ - для повышающего ИОН; 2 - для понижающего ИСН; 5 - для инвертирующего

Рис. 3.20. Временные диаграммы электрических процессов в импульсном регуляторе: а - при беэразрывных токах дросселя; б-при разрывных токах дросселя

В ИСН энергия постоянного тока, потребляемая от первичного источника, преобразуется в активную энергию постоянного тока, передаваемую в нагрузку, и реактивную энергию высокочастотных, составляющих тока, которая замыкается через дроссель и конденсатор. Поскольку полное сопротивление конденсатора меньше сопротивления нагрузки и существенно меньше индуктивного сопротивления дросселя, то почти вся реактивная энергия промодули-рованного тока источника будет сосредоточена в дросселе.



Если определять мощность дросселя как произведение энергии, накапливаемой в нем во время действия импульса, на частоту переключений, то выполняются следующие соотношения:

для понижающего регулятора;

(3.6)

(3.8)

для повышающего регулятора;

Pl=P.

для инвертирующего регулятора.

Основные схемы ИСН описываются с помощью системы математических выражений, определяющих параметры электрических процессов в силовых цепях устройства, энергетических соотношений, а также физические и технические ограничения и следствия, вытекающие из них. Инженерный анализ ИСН основан на кусочно-линейной аппроксимации тока силового дросселя, что дает малую погрешность при расчете схем с высоким КПД.

Понижающий Йен. На рис. 3.16 приведена схема силовой части понижающего ИСН, а на рис. 3.20, а - временные диаграммы электрических процессов в ее р-азличных цепях при безразрывном токе дросселя. Для этой схемы K3 = Uh/U„; /к.э.макс= t/n. Ток нагрузки /н, среднее значение тока дросселя, среднее за время действия импульса значение тока коллектора силового транзистора /к.ср среднее за время паузы значение тока замыкающего диода не зависят от /Сз при безразрывном токе дросселя и будут равны

Дср = --ср = /к,ср =/н=н/н- (3-9)

Амплитуда пульсаций тока дросселя, а также отклонения от средних токов коллектора силового транзистора и замыкающего диода определяются по формуле

Д /. = А /„ := Д /д = 0,5 i;„ /Сз (1 -/Сз) T/L. (3.10)

Максимальное значение тока определяется как сумма выражений (3.9) и (3.10): . -

.==--fO,5t/n/C3(l-K3)r/L.-1

(3.11)

Средняя за период мощность, рассеиваемая в насыщенном транзисторе.

1

(3.12)

Средняя за период мощность, рассеиваемая в запертом транзисторе.

PT.=U„Un{ 1-

п КО

(3.13)

Мошность, рассеиваемая в транзисторе за время перек..->е„ия,

/ Г I TRnV I у Uh у

= р 1Н£Р 1 + 1 И--77-

Гт пер 27 \ 2L \ Uu J

средняя за период мощность, рассеиваемая в замьжающем диоде ВО время паузы.

12 \ L 1 \

+ /срлИ-

Uh Un

Средняя за период мощность, рассеиваемая в замыкающем диоде f за время импульса,

Рд отс = обр 77" - Лобр н-

Мощность, рассеиваемая в активном последовательном сопротивлении конденсатора.

Uyi

(3.15)

Мощность, рассеиваемая в а ктивном сопротивлении обмотки дрос-селя, „„ . „ , »/ \21

Р-Р

\ L 1 V и„

(3.16)

При разрывных токах необходимо пользоваться другим набором формул. Для этого режима

Кз=н")/ UniUn-

-Un) TRn

Относительное время протекания тока дросселя во время паузы

Размах пульсаций тока дросселя, амплитудные значения токов коллектора силового транзистора и замыкающего диода определяются из выражения

} {Un - UH)TKs L

(3.17)

Действующее значение тока дросселя

1 J (Un - Un)TK

(3.18)

Действующее значение тока коллектора силового транзистора

j {U,,-Un)KTT.

уз

(3.19) 83



Действующее значение тока замыкающего диода

Мощность, рассеиваемая в открытом диоде, ддД+Д срД =-jj;-+Д--• V-U

Мощность, рассеиваемая в активном сопротивлении обмотки дросселя.

(3.20)

(3.21)

Мощность, рассеиваемая в насыщенномтранзисторе,

нас к.л •вых ------

(3.22)

к.д •вых

Расчет пульсаций на выходе и входе ИСН удобно проводить по основной гармонике тока рабочей частоты, протекающего в соответствующей цепи, Разложение в ряд Фурье последовательности импульсов тока, протекающего через коллектор силового транзистора, дает выражение для амплитуды первой гармоники

/ср +А 2

"2"з-:4(со52я/Сз-1)]созсо,+

COS 2 л-f M£PZzAZ/i , А

2л2д:,

sin2nA:„

sin (Op /.

(3,23)

Можно считать, что ток этой частоты не попадает в сеть питания и протекает только через входной конденсатор, замыкаясь внутри ИСН. Пульсации на. входном конденсаторе, обусловленные протеканием этого тока, рассчитываются по формуле

t/c, = /cBx-4r-. (3-24)

а потерпев активном последовательном сопротивлении конденсатора

Cbx = /cbxcV2: Выражение (3.23) определяет амплитуду тока /свх(())рО при безразрывном токе дросселя. При разрывном токе дросселя справедливо выражение, полученое из разложения в ряд Фурье импульсов тока треугольной формы (рис. 3.20, б):

*" Д /р sin 2 я /Са А /р (cos 2я Kg- 1)

гяКз

Сйх.р(©р/) =

:lP£21i£L , А/р81п2я/<:э 2я/Сз ~~

COSCOp-f

sincopt (3.25)

Величины Д/р, А/ср, А/ были определены выше. Для тока, протекающего через конденсатор сглаживающего фильтра, можно получить:

/с вых («рО = :

/Ср.вых(сОрО=

-cos2K/C3(l4-l/6/Ln) + l

2я2 /<:з(1-/Сз) 1

sin я Кз COS сОр t;

(3.26)

соз2я/Сз (6L„4-1) -

COS сОр + [sin 2л /С; (1 4-1 /б 4 п) -

- {l/6tLu) sin 2 л /Сз (61ци + 1)] sin С0р7

(3.27)

В многозвенных фильтрах пульсации напряжения на выходных конденсаторах рассчитываются в соответствии с эквивалентной схемой рис. 3.21 по формулам: t/ci = 1свых/сорСвых для однозвен-ного фильтра; .

с вых

0)3 Свых 2

для двухзвенного фильтра;

3 qg 0)6 Ci Са СзLiLa

(3.28)

(3.29)

для трехзвенного фильтра.

Напряжение на выходном конденсаторе фильтра может быть получено также с помощью коэффициента передачи фильтра при известной амплитуде напряжения первой гармоники на его входе.

Повышающий ИСН. На рис. 3.18 приведена схема повышающего ИСН, на рис. 3.20, а диаграммы электрических процессов при безразрывном токе дросселя. Для этой схемы при безразрывном токе дросселя

(3.30)

средний за период ток дросселя, средний за время импульса ток коллектора силового транзистора, средний за время паузы ток замыкающего диода определяются по формуле (3.3) и в данной схеме зависят от Кз-

/Дср=/ср = /к.ср=;. (3.3 Г)

Амплитуда пульсаций тока дросселя, отклонения от средних значений токов коллектора силового транзистора и замыкающего диода определяются по формуле

Mi=M==Ma = UnTKj2L. (3.32)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [13] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46


0.011