Розрахунок схеми широтно-імпульсного стабілізатора напруги

ВСТУП

 

У даній роботі ведеться розрахунок схеми широтно-імпульсного  стабілізатора напруги. В порівнянні з лінійними стабілізаторами  напруги, імпульсні стабілізатори  напруги мають відмінну особливість. В імпульсних стабілізаторів, регулюючий елемент працює в ключовому режимі. Існує два типи імпульсних стабілізаторів : імпульсний стабілізатор релейного  типа, в яких комутація виробляється по рівню напруги в RC ланцюжку, і широтно-імпульсні стабілізатори, в яких комутація здійснюється за часом. При регулюванні часу провідності і відсічення ключа, змінюється середнє значення вихідної напруги на навантаженні. Регулювання відносного часу провідності ключа можна здійснити двома способами : зміною інтервалу провідності ключа при постійній частоті перемикання (широтно-імпульсна модуляція) або зміною частоти перемикання при постійному інтервалі провідності ключа (частотно-імпульсна модуляція). Постійність частоти включення регулюючого елементу - істотна перевага стабілізаторів з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), оскільки дозволяє  виробити  оптимальний вибір параметрів елементів згладжуючого фільтру і виконати його з мінімальним об'ємом і масою.

Системи електроживлення  здійснюють не тільки перетворення, але  і стабілізацію вихідної напруги  та струму. Головне завдання стабілізуючих  пристроїв - здійснювати стабілізацію параметрів електричної енергії  в заданому діапазоні при зміні  дестабілізуючих факторів в широких  діапазонах. Дестабілізуючими є такі чинники: зміна напруги джерела живлення (первинного джерела), зміна величини навантаження, зміна частоти вхідної напруги, зміна температури навколишнього середовища, зміна вологості, дію електромагнітних полів, випромінювань, атмосферного тиску. До внутрішніх факторів відносять зміну величини

напруги первинних джерел, зміна параметрів елементів стабілізатора - транзисторів, діодів, резисторів та інші, які пов'язані в основному  з процесом старіння елементів.

Основними дестабілізуючими чинниками є коливання напруги  первинного джерела, зміна опору  навантаження, зміна температури  навколишнього середовища та зміна  параметрів елементів стабілізатора. Величинами, які стабілізуються, є  значення вихідної напруги або струму. Діапазон зміни стабілізованої величини оцінюють таким параметром, як нестабільність або коефіцієнт стабілізації.

Розрізняють два принципи дії стабілізаторів - параметричний  і компенсаційний.

Параметричний принцип заснований на тому, що дестабілізуючий фактор діє безпосередньо на параметр нелінійного  елемента стабілізатора і змінює його таким чином, що дія дестабілізуючого чинника автоматично послаблюється .

Компенсаційний принцип  заснований на порівнянні стабілізованої величини з еталонною. Сигнал, який пропорційний різниці напруг (або  струмів) автоматично впливає на режим роботи регулюючого елемента стабілізатора, внаслідок чого дія  дестабілізуючого чинника послаблюється.

До параметричних стабілізаторів відносять стабілізатори з кремнієвими  стабілітронами, термістора, електромагнітними  дроселями, ферорезонансними контурами.

Актуальність проблеми:    Розвиток сучасних виробничих технологій та устаткування пов’язаний з розширенням  використання силових перетворювачів електроенергії у промисловості. Силові перетворювачі у свою чергу постійно вдосконалюються з метою підвищення надійності, поліпшення енергозбереження, зниження собівартості. Приоритетними напрямками вдосконалення перетворювачів є розробка нових силових компонентів та поліпшення їх характеристик, розробка нових силових схем, алгоритмів та систем управління перетворювачами.

Ефективне вирішення кожної з цих задач потребує глибокого  аналізу електромагнітних процесів у силових схемах перетворювачів, створення нових схем і принципів  управління.

Мета і задачі дослідження:  розвиток теорії  імпульсних перетворювачів (ІП) з широтним та частотним способами  регулювання, який дозволяє розширити  можливості регулювання шляхом суміщення  вказаних способів та оптимізувати умови комутації силових вентилів.

Наукова новизна одержаних  результатів: Розроблено нові математичні  моделі електричних процесів ІП, що дозволяють проводити розрахунки електричних  і конструктивних параметрів  при  вирішенні задач дослідження  і проектування. Дістали подальший розвиток методики, алгоритми і програмні модулі для розрахунку електричних процесів модульної структури (з однофазним і багатофазним принципами перетворення електричної енергії). Виконано дослідження основних параметрів ІП модульної структури з ШІМ, зроблена порівняльна оцінка показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування.

Практичне значення одержаних  результатів:    Методики, алгоритми  і програмне забезпечення, розроблені на їхній основі, забезпечують необхідні  розрахунки електричних процесів при  значному скороченні витрат машинного  часу в порівнянні з відомими математичними  моделями; дозволяють легко враховувати  вплив параметрів елементів схеми, їхніх відхилень на характер залежностей (часових, регулювальних), одержати недосяжні  за допомогою відомих моделей  результати у вигляді кількісних оцінок, графіків, таблиць, і вироблених на їхній основі рекомендацій з вибору параметрів електричних процесів і  елементів СК, і методики проектування мінімізованих по об'єму ІП. 

1. СХЕМИ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

 

 Існує три види базових схем імпульсних перетворювачів (стабілізаторів):

1. зворотньоходові перетворювачі;
2. прямоходові перетворювачі;
3. пушпульні перетворювачі.

 

1.  Зворотньоходові перетворювачі

 

На рис.1.1 представлена базова схема  зворотньоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

 

 

а)              б)

Рис. 1.1 Базова схема зворотньоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній

 

 

Коли перемикач замкнутий (транзистор відкритий), вхідна напруга  підключена до індуктивності і вихідний діод замкнений. Струм лінійно наростає, накопичується енергія, поки перемикач  не розімкнеться. Коли це станеться, напруга на індуктивності змінить свою полярність і накопичена енергія буде передаватися на вихідну ємність і навантаження.

Варіюючи часом провідності  транзистора на певній частоті, величина накопиченої енергії в індуктивності  протягом кожного циклу провідності  може бути контрольована. Це дозволяє змінювати напругу на виході.

Ця базова схема може бути перетворена в практичну з використанням трансформатора (рис.1.2).

а)    б)     в)

Рис.1.2 Перетворення базової схеми в схему,використовуючи трансформатор

 

У зворотньоходовому перетворювачі вся енергія, яка була передана у вихідну ємність і навантаження, спочатку накопичувалася в індуктивності. Щоб забезпечити гальванічну розв'язку, замість індуктивності використовують трансформатор.

Іншою перевагою зворотньоходового перетворювача, це те, що не потрібно ніякого згладжуючого дроселя у вихідному ланцюзі. Це важливо в високовольтних джерелах живлення високої напруги і в джерелах живлення з декількома вихідними колами (рис.1.3).

Недоліком цього типу перетворювачів, це те, що вихідна ємність заряджається тільки протягом циклу відсічення.

Таким чином в порівнянні з іншими типами перетворювачів у вихідній ємності високий струм пульсацій.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.3 Схема з вихідним ланцюгом

 

Іншим недоліком, є те, що зворотньоходовий перетворювач концентрує всю енергію в індуктивності. Струм індуктивності має тільки один напрям, що вимагає більшого сердечника в зворотньоходовому перетворювачі в порівнянні з іншими типами перетворювачів.

 

1.2.   Прямоходові перетворювачі

 

На рис.1.4 показана базова схема прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

Коли перемикач замкнутий (транзистор відкритий), струм лінійно зростає і проходить через індуктивність в ємність і навантаження. Протягом включеного циклу, енергія передається на вихід і накопичується в індуктивності. Коли перемикач розмикається, енергія накопичена в

індуктивності підтримує струм, який протікає на вихід через діод, де I_n — діюче значення n-ої гармоніки струму, n - порядок вищої гармоніки струму.

   а)      б)

Рис. 1.4 Базова схема прямо ходового перетворювача і форми струмів та напруг

 

Як і в зворотньоходовому перетворювачі, величина енергії накопиченої в індуктивності, може змінюватись контролюючи цикли замкненого / розімкнутого ключа. Це забезпечує контроль вихідної напруги в прямоходових перетворювачах.

Більш практична схема прямоходового перетворювача з гальванічною розв'язкою показана на рис.1.5.

Рис.1.5 Практична схема прямоходового перетворювача з гальванічною розв'язкою

 

 

 

 

 

 

3. Пушпульні перетворювачі

 

На рис.1.6 показана базова схема прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

Пушпульний перетворювач - представляє собою сукупність двох прямоходових перетворювачів працюють у протифазі. Коли перемикач S1 замкнутий (рис.1.6a), діод D2 проводить енергію, яка одночасно накопичується в індуктивності і подається на навантаження.

Коли S1 і S2 відкриті (рис.1.6б), енергія накопичена в індуктивності, продовжує підтримувати струм у навантаженні через паралельні діоди D1 і D2, які знаходяться в пропускному стані. Коли перемикач S2 замкнутий, діод D1 продовжує пропускати, діод D2 припиняє пропускати і ці процеси постійно повторюються.

 

 

 

 

 

 

а)     б)

 

 

 

 

 

 

в)     г)

Рис 1.6 Схеми прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній

Пушпульні перетворювачі  подвоюють частоту імпульсних струмів  у вихідному фільтрі і отже знижують вихідну імпульсну напругу. Крім того перевага пушпульної операції полягає в тому, що сердечник трансформатора змінно намагнічується в обох напрямках  в порівнянні з зворотньоходовими.

1.4 Системи керування стабілізатором

 

Системи керування до імпульсних стабілізаторів, на даному етапі розвитку напівпровідникового виробництва, як правило, складаються з однієї спеціалізованої мікросхеми з невеликою кількістю навісних елементів. Така мікросхема включає в себе як мінімум:

1. генератор опорної частоти;
2. джерело опорної напруги;
3. підсилювач помилки;
4. широтно-імпульсний модулятор;
5. драйвер управління;
6. тригер Шмідта для запуску.

Мікросхеми випускаються як в багатовивідному виконанні з навісними допоміжними елементами, так і з трьома-чотирма виводами, вбудована в регулюючий елемент. Два виводи такої мікросхеми є силовими, а на решту подається зворотній зв'язок. Сучасні системи управління забезпечують частоту перемикання практично від нуля до декількох сотень кілогерц з коефіцієнтом заповнення 0 - 95%.

Мікросхема представляє  з себе ШІМ-контролер імпульсного джерела живлення, що працює на фіксованій частоті, і включає в себе всі необхідні для цього блоки. Вбудований генератор пилоподібного напруги вимагає для встановлення частоти тільки двох зовнішніх компонентів R і С. Частота генератора визначається за формулою:

   

Модуляція ширини вихідних імпульсів досягається порівнянням  позитивного пилкоподібної напруги, одержуваного на конденсаторі С, з двома керуючими сигналами (см тимчасову діаграму). Логічний елементи

 АБО-НЕ збуджує вихідні  транзистори Q1 і Q2 тільки тоді, коли лінія тактування вбудованого тригера перебуває в низькій логічному стані. Це відбувається тільки протягом того часу, коли амплітуда пилкоподібної напруги вище амплітуди керуючих сигналів. Отже, підвищення амплітуди керуючих сигналів викликає відповідне лінійне зменшення ширини вихідних імпульсів. Під керуючими сигналами розуміються напруги вироблені схемою регулювання мертвого часу (вивод 4), підсилювачі помилки (вивод 1, 2, 15, 16) і ланцюгом зворотного зв'язку (вивод 3).

Вхід компаратора регулювання  мертвого часу має зсув 120мВ, що обмежує  мінімальну мертве час на виході першими 4% тривалості циклу 

пилкоподібної напруги. У результаті максимальна тривалість робочого циклу складає 96% у тому випадку, якщо висновок 13 заземлений, і 48% у тому випадку, якщо на висновок 13 подано опорне напруга.

Збільшить тривалість мертвого часу на виході, можна подаючи на вхід регулювання мертвого часу (вивод 4) постійна напруга в діапазоні 0 . . 3, 3 В. ШІМ - компаратор регулює ширину вихідних імпульсів від максимального значення, що визначається входом регулювання мертвого часу, до нуля, коли напруга зворотного зв'язку змінюється від 0, 5 до 3, 5 В. Обидва підсилювача помилки мають вхідний діапазон синфазного сигналу від -0, 3 до (Vcc-2, 0) В і можуть використовуватися для зчитування значень напруги або струму з виходу джерела живлення. Виходи підсилювачів помилки мають активний ВИСОКИЙ рівень напруги і об’єднані  функцією АБО нa неінвертуючому вході ШІМ - компаратора. У такій конфігурації підсилювач, що вимагає мінімального часу для включення виходу, є домінуючим в петлі управління. Під час розряду конденсатора С на виході компаратора регулювання мертвого часу генерується позитивний імпульс, який тактується тригер і блокує вихідні транзистори Q1 і Q2. Якщо на вхід вибору режиму роботи подається опорна напруга (висновок 13),  триггер  безпосередньо   управляє  двома вихідними транзисторами в протифазі (двотактний режим), а вихідна частота дорівнює половині частоти генератора. Вихідний формувач може також працювати в однотактним режимі, коли обидва транзистора відкриваються і закриваються одночасно, і коли потрібно максимальний робочий цикл не перевищує 50%. Це бажано, коли трансформатор має дзвенячу обмотку з обмежувальним діодом, використовуваним для придушення перехідних процесів. Якщо в однотактним режимі потрібні великі струми, вихідні транзистори можуть працювати паралельно. Для цього потрібно замкнути на землю вхід вибору режиму роботи ОТС, що блокує вихідний сигнал від тригера. Вихідна частота в цьому випадку буде рівна частоті генератора.