Prrzzettworrniice iimpullssowe.pdf
(
100 KB
)
Pobierz
56072975 UNPDF
Listy od Piotra
Przetwornice
impulsowe
Podstawowe konfiguracje
− przetwornica podwyższająca
Po długiej przerwie znów powracamy
do tematu przetwornic. Czytelnicy
upominają się o dalsze informacje na
ten temat.
Do tej pory omówiliśmy przetwornicę
zaporową i przepustową. W tym od−
cinku omówimy przetwornicę pod−
wyższającą. Jeśli do tej pory się nie
zgubiłeś, nie będziesz miał żadnych
problemów z przyswojeniem sobie in−
formacji z tego listu. W razie potrzeby
przypomnij sobie wiadomości o prze−
twornicach zamieszczone w EdW 4/99
... 8/99.
cie wyjściowe. Wy−
gląda na to, że cewka
dodaje do napięcia
wejściowego U1 ja−
kieś “swoje” napięcie
U
L
. Tym samym na−
pięcie wyjściowe U2
pracującej przetwor−
nicy będzie zawsze
większe niż napięcie
wejściowe U1 (pomi−
jamy spadek napięcia
na diodzie). Stąd na−
zwa − przetwornica
podwyższająca.
Rysunek 3b
pokazuje przykładowe prze−
biegi napięcia i prądu. Zwróć uwagę, że w fa−
zie ładowania cewka podłączona jest do na−
pięcia U1, a więc szybkość przyrostu prądu
wyznaczona jest właśnie przez to napięcie.
A jakie napięcie zaindukuje się w cewce
w czasie rozładowania? Teoretycznie napię−
cie to może być dowolne: małe lub duże.
W praktyce będzie dokładnie takie, by pod−
trzymać przepływ prądu w cewce. Podobnie
jak przy omawianiu poprzednich przetwornic
zakładamy, że przetwornica już pracuje i na−
pięcie wyjściowe U2 na kondensatorze C2
zdążyło się wcześniej ustalić. W cewce zain−
dukuje się więc napięcie...
Wcale nie będzie to napięcie wyjściowe U2
plus spadek napięcia na diodzie D. Dlaczego?
Rys. 2
Rysunki 1 i 3a pokazują, że wystarczy na−
pięcie mniejsze − napięcie z cewki (U
L
) bę−
dzie dodawane do napięcia U1, tworząc na−
pięcie wyjściowe U2. Jeśli więc pominiemy
(w sumie niewielki) spadek napięcia na dio−
dzie, możemy powiedzieć, że napięcie na
cewce wyniesie U
L
=U2−U1.
A jak regulować to napięcie, a tym samym
napięcie wyjściowe? Szczegóły za chwilę,
ale chyba już “czujesz przez skórę”, że rów−
nież w tej przetwornicy regulacja napięcia
będzie polegać na zmianie współczynnika
wypełnienia impulsów sterujących.
Zwróć jeszcze uwagę na drogę prądów I1
oraz I2. Przy zamkniętym kluczu S, ze źródła
zasilania B pobierana jest energia − zostaje ona
zmagazynowana w indukcyjności, a następnie
przekazana do obciążenia w drugiej fazie cy−
klu. To oczywiste! Czy jednak już widzisz, że
energia jest pobierana ze źródła B także wtedy,
gdy klucz S jest otwarty − prąd I2 płynie prze−
cież przez baterię zasilającą B! Co to znaczy?
Podobnie jak w przetwornicy przepusto−
wej, także i tu część energii jest dostarczana
do obciążenia niejako przy okazji. W prze−
twornicy przepustowej następowało to w fa−
zie ładowania cewki (przy zwartym kluczu
S), natomiast w przetwornicy podwyższają−
cej następuje w fazie rozładowania cewki.
Jak się okaże, pozwoli to “wydusić” z prze−
twornicy podwyższającej moc większą, niż
z przetwornicy zaporowej z tą samą cewką.
Przetwornica podwyższająca
jest rodzajem
przetwornicy zaporowej (ang. boost conver−
ter, step up switching regulator). Uproszczo−
ny schemat jest pokazany na
rysunku 1
. Nie
muszę już chyba dodawać, że w większości
praktycznych przetwornic występuje obwód
regulacji, zmieniający współczynnik wypeł−
nienia impulsów sterujących w zależności od
napięcia wyjściowego.
Rys. 1 Przetwornica podwyższająca
W pierwszej fazie cyklu, po zamknięciu
klucza S, przez klucz i cewkę płynie rosnący
prąd I1 − w cewce gromadzi się energia. Ilu−
struje to
rysunek 2
. Sytuacja wygląda dokła−
dnie tak, jak w przetwornicy zaporowej, którą
poznałeś na początku. Troszkę inaczej jest tyl−
ko w drugiej fazie cyklu, gdy energia jest prze−
kazywana do kondensatora C2 i obciążenia.
Po otwarciu klucza prąd nadal “chce” płynąć
przez cewkę w tym samym kierunku − w cew−
ce zaindukuje się więc takie napięcie, aby prąd
mógł nadal płynąć. W odróżnieniu od pozna−
nej wcześniej przetwornicy zaporowej, prąd
I2 zamknie się w obwodzie: B, L, D, R
L
. Ilu−
struje to
rysunek 3a
. Jasne i oczywiste.
Gdyby przetwornica nie pracowała,
a klucz S byłby na stałe otwarty, prąd po pro−
stu płynąłby do obciążenia przez diodę D. Je−
śli przetwornica pracuje, cewka na przemian
gromadzi i oddaje energię, zwiększając napię−
Rys. 3
Tryby pracy
Podobnie jak w dwóch poprzednio omówio−
nych układach przetwornic, także i tu możemy
odróżnić tryb pracy, w którym prąd w cewce
w części okresu jest równy zeru. Sytuacja taka
ma miejsce przy małych prądach obciążenia.
Rysunki 4a i 4b pokazują przykładowe przebie−
gi w tym trybie. Znów szybkość zmian prądu
jest ściśle związana z napięciami występujący−
mi na cewce: wejściowym U1 w fazie łado−
wania i napięciem (U2−U1) w fazie rozłado−
wania. W tym trybie współczynnik wypełnie−
nia impulsów sterujących zależy od chwilo−
wego zapotrzebowania na moc wyjściową.
Analogicznie przy większych prądach ob−
ciążenia, prąd cewki cały czas jest większy
od zera, i wtedy nasz układ staje się “trans−
formatorem prądu stałego”. Przykładowe
przebiegi znajdziesz na
rysunkach 4c
i
4d
.
a)
b)
Elektronika dla Wszystkich
23
Listy od Piotra
Na
rysunku 4e
pokazałem sytuację, gdy
czas t
on
jest zbyt długi − prąd wzrasta powy−
żej prądu nasycenia Ip. Oczywiście jest to sy−
tuacja niedopuszczalna, bo gwałtownie
wzrosną straty (w praktyce zapewne uszko−
dzi się też tranzystor−klucz).
Może się zastanawiasz, dlaczego nagle
mówimy o różnicy napięć U2−U1, jakby na−
pięcie U2 było już z góry ustalone. Możemy
tak robić − umówiliśmy się, że rozpatrujemy
działanie przetwornicy w trakcie jej normal−
nej pracy, przy jakimś prądzie obciążenia,
gdy przebiegi napięć i prądów są ustabilizo−
wane. Nie zapominaj o układzie automatyki
(którego tym razem nie rysowałem). Ten
układ automatyki dobierze współczynnik wy−
pełnienia (a tym samym napięcie U
L
i szybko−
ści zmian prądów), by napięcie wyjściowe U2
było dokładnie takie jak chcemy.
Jeśli jednak masz jakiekolwiek wątpliwo−
ści, przyjrzymy się temu bliżej.
Jaki ma być ten współczynnik wypełnienia?
Przypuśćmy, że chcemy dodać do napięcia
U1 napięcie dwukrotnie większe, czyli napię−
cie wyjściowe U2 ma być równe 3*U1(pomi−
jamy spadek napięcia na diodzie). Aby napię−
cie U
L
było dwa razy większe od U1, szyb−
kość zmian prądu w fazie rozładowania musi
być dwukrotnie większa niż w fazie ładowa−
nia. Właśnie taką sytuację pokazuje rysunek 4.
Pamiętaj, że mówimy o ustalonych warun−
kach pracy − to znaczy, że w drugiej fazie każ−
dego cyklu cewka oddaje do obciążenia do−
kładnie tyle energii, ile pobrała w pierwszej
fazie. Inaczej mówiąc, o ile prąd wzrośnie
w pierwszej fazie, o tyle musi zmaleć w dru−
giej. Jeśli przyrosty prądu mają być jednako−
we, to w sytuacji z rysunków 4c i 4d wartości
napięć będą zależne od czasów t
on
it
off
we−
dług znanej zależności
U= LI/∆t
Nie ulega wątpliwości, że w omawianym
przykładzie czas t
off
musi być dwukrotnie
krótszy od t
on
. Tylko wtedy napięcie U
L
bę−
dzie dwa razy większe od napięcia U1.
Teraz już chyba widzisz, że w przypadku
przetwornicy podwyższającej prawdziwa jest
zależność
t
on
/ t
off
= U
L
/ U1
Nam bardziej przydatna byłaby zależność
napięcia wyjściowego U2 od czasów t
on
it
off
.
Ponieważ U
L
= U2−U1, więc
t
on
/ t
off
= (U2−U1) / U1
stąd
t
on
U1=t
off
U2−t
off
U1
co odpowiada
t
off
U2=t
on
U1+t
off
U1=(t
on
+t
off
)U1
a ponieważ t
on
+t
off
=T, ostatecznie
U2 = (T/t
off
)U1
i jest to wzór na “przekładnię” przetwor−
nicy podwyższającej. Zależność tę można też
zapisać w postaci
U2/U1 = T/t
off
Przypominam, że podana właśnie zależność
jest słuszna tylko wtedy, gdy prąd w cewce nie
maleje do zera, czyli indukcyjność nigdy nie
jest wolna od energii (zobacz rys. 4c, d). Napię−
cie wyjściowe wyznaczone jest przez czasy t
on
it
off
. Gdy rezystancja R
L
się zmniejsza, wzrasta
średni prąd, jak pokazują rysunki 4c, d.
Przy znacznie mniejszych prądach obcią−
żenia, gdy chwilowa wartość prądu cewki
maleje do zera (rys. 4a, b), powyższa zależ−
ność nie jest prawdziwa − przetwornica nie
jest “transformatorem prądu stałego”. Ale na−
pięcie wyjściowe nadal może być utrzymane
na założonym poziomie − układ automatyki
tak skróci czas ładowania t
on
, by energia
przekazywana w każdym cyklu wystarczyła
do utrzymania potrzebnego napięcia U2. Je−
śli w takiej sytuacji zmniejszy się trochę R
L
,
układ automatyki zwiększy nieco współczyn−
nik wypełnienia i zwiększy średni prąd I2.
Przedostatni wzór U2 = (T/t
off
)U1
wskazuje, że czym krótszy czas t
off
, tym
większe napięcie wyjściowe. Zgadza się to
z intuicją i potwierdzają to
rysunki 5...7
. Ilu−
strują one trzy przypadki, gdy napięcie wyj−
ściowe jest:
− o 1/5 (20%) większe od U1
− dwukrotnie większe od U1
− pięciokrotnie większe od U1.
Rysunki 5a, 6a i 7a pokazu−
ją przebiegi przy niewielkiej
indukcyjności (lub niewielkiej
częstotliwości). Rysunki 5b,
6b i 7b pokazują sytuację przy
dużej pojemności (lub dużej
częstotliwości) − zmiany prądu
są wtedy niewielkie.
dze rachunkowej. Moc wyjściowa to iloczyn
napięcia U2 i średniego prądu rozładowania
I2
P=U2 * I2śr
Wartość szczytowa prądu I2 może być co
najwyżej równa prądowi nasycenia Ip, więc
średni prąd rozładowania w sytuacji z rysun−
ków 5b, 6b, 7b wyniesie prawie
Rys. 5
Rys. 6
Rys. 7
I2śr = (t
off
/T) Ip
Z kolei
U2 = (T/t
off
)U1
Co daje nieco zaskakujący wynik
P= (T/t
off
)U1 * (t
off
/T)Ip = U1*Ip
Wynik ten jest słuszny dla przypadków,
gdy wartość prądu jest cały czas zbliżona do
Ip (duża indukcyjność L lub duża częstotli−
wość). Dla częstotliwości fmin (rysunki 5a,
6a, 7a) moc ta będzie o połowę mniejsza.
W każdym razie wynik ten nie powinien
dziwić. Wystarczy pomyśleć: w przetworni−
cy idealnej, bez strat (taką zresztą cały czas
rozpatrujemy) moc wyjściowa musi być rów−
na mocy wejściowej. A jaka moc jest pobie−
rana z baterii U1?
Rysunek 1 oraz 7b wskazują, że prąd jest
pobierany z baterii zarówno w czasie łado−
wania, jak i rozładowania, a więc jego war−
tość średnia jest tylko odrobinę mniejsza od
Ip. Jeśli z baterii o napięciu U1 cały czas jest
pobierany prąd Ip, to maksymalna moc po−
bierana wynosi w przetwornicy
podwyższającej P=U1*Ip
Rys. 4
Moc i napięcie
Rysunki 5b...7b pozwalają tak−
że określić maksymalną moc
przetwornicy podwyższającej
z cewką i prądzie nasycenia Ip
przy wielkiej częstotliwości
pracy. Można to zrobić na dro−
24
Elektronika dla Wszystkich
Listy od Piotra
Wzór ten jest odmienny, niż w przypadku
poprzednio omówionych przetwornic, po−
nieważ prąd ładujący I1 jest pobierany ze
źródła tylko w czasie t
on
. Więc zarówno
w przetwornicy
odwracającej P=U1*Ip (t
on
/T)
a także
przepustowej P=U1*Ip (t
on
/T)
Zwróć jeszcze uwagę na zależność napię−
cia wyjściowego od współczynnika wypeł−
nienia (czyli od czasów t
on
it
off
) dla poszcze−
gólnych przetwornic:
podwyższajacej U2=(T/t
off
)U1
następnie
odwracającej U2=(t
on
/t
off
)U1
oraz
przepustowej U2=(t
on
/T)U1
Dokładnie przeanalizuj sześć powyższych
wzorów. Nie masz chyba wątpliwości, że gdy
potrzebne Ci napięcie U2 jest mniejsze niż
napięcie U1, którym dysponujesz, wtedy po−
winieneś zastosować przetwornicę przepusto−
wą, bowiem w tym zakresie napięć będzie
ona mieć większą moc niż przetwornica od−
wracająca z tą samą cewką. Jeśli nie wie−
rzysz, dokonaj kilku przykładowych obliczeń.
Gdy natomiast potrzebne Ci napięcie U2
ma być wyższe od napięcia U1, którym dyspo−
nujesz, wykorzystasz przetwornicę podwyż−
szającą, która w tym zakresie okaże się lepsza
od odwracającej.
Przetwornicę odwracającą wykorzystasz
tylko wtedy, gdy zechcesz zmieniać napięcie
U2 w szerokich granicach.
ze zwiększaniem częstotliwości − pamiętaj
o stratach przełączania tranzystorów i stra−
tach histerezy.
To wszystko! Popatrz, jakie to okazało się
łatwe, pod warunkiem, że masz cewkę i znasz
jej indukcyjność L oraz prąd nasycenia Ip.
Ale Ty pewnie mierzysz o oczko wyżej
i chciałbyś zaprojektować układ “od zera”,
w tym także obliczyć i wykonać cewkę. Obli−
czyć i wykonać cewkę to znaczy, zakładając
indukcyjność L, prąd Ip, dobrać rdzeń, z od−
powiedniego materiału, o właściwej wielko−
ści oraz obliczyć liczbę zwojów i grubość
drutu nawojowego. Moje listy powinny Cię
przekonać, że nie jest to wcale łatwe zadanie.
Dlatego na razie nie zachęcam Cię do takich
obliczeń. Pozostań przy gotowych cewkach.
Owszem, możesz eksperymentować − możesz
nawijać różne cewki i sprawdzać je prostym
przyrządem, który był opisany w EdW 9/99.
Nie zapomnij jednak, że oprócz indukcyj−
ności L, prądu nasycenia Ip każda cewka ma
jakąś rezystancję (drutu) i że występują
w niej straty (związane między innymi z wła−
ściwościami materiału rdzenia). Będzie to
powodować nagrzewanie się cewki, a jak Ci
już sygnalizowałem, temperatura rdzenia
w jego najgorętszym punkcie nie powinna
przekraczać +100
o
C.
pojemność większa, tym mniejsze tętnienia.
Trzeba jednak pamiętać, że przetwornica pra−
cuje przy częstotliwościach co najmniej
20kHz (często 100kHz i więcej), a przy takich
częstotliwościach elektrolity mają mniejszą
pojemność. Tak − pojemność jest mniejsza od
nominalnej! To nie wszystko − ponieważ pły−
nące prądy mają charakter impulsowy, oprócz
pojemności trzeba też wziąć pod uwagę we−
wnętrzną rezystancję szeregową kondensato−
ra wyjściowego C2 (parametr oznaczany
w katalogach ESR). Rezystancja ta powinna
być jak najmniejsza. Przystawka − miernik re−
zystancji kondensatorów przedstawiony był
w EdW 3/2001. Ściślej biorąc, należałoby
także uwzględnić rezystancję ścieżek i prze−
wodów, zwłaszcza w obwodach, gdzie wystę−
pują impulsy prądu, ale to już wyższa szkoła
jazdy. W dotychczasowych rozważaniach po−
mijaliśmy spadek napięcia na diodzie D, wy−
stępujący w każdej przetwornicy. Przy nie−
wielkich napięciach na cewce, rzędu kilku
woltów, te 0,6...0,8V na diodzie to sporo.
Sprawność zmniejszy się o kilka, a nawet
o kilkanaście procent. Dlatego w przetworni−
cach pracujących przy niskich napięciach sto−
suje się z reguły diody Schottky’ego, mające
napięcie przewodzenia o połowę mniejsze.
Na pewno zdążyłeś już zauważyć, że tran−
zystor−klucz pracujący w przetwornicy od−
wracającej lub podwyższającej o dużym na−
pięciu wyjściowym musi wytrzymać napię−
cie pojawiające się na nim w fazie rozłado−
wania cewki.
Przy w pełni profesjonalnym projektowa−
niu przetwornicy należałoby także wziąć pod
uwagę szereg dodatkowych czynników, jak
charakterystyki przełączania tranzystorów,
generowanie zakłóceń i inne, jednak ich
szczegółowe omówienie zdecydowanie wy−
kracza poza ramy niniejszego cyklu.
I tyle na razie o podstawowych przetwor−
nicach. W najblizszej przyszłości zapoznam
Cię z przetwornicami synchronicznymi.
Dodatkowe wyjaśnienia
Przy analizie wszystkich trzech rodzajów
przetwornic zakładaliśmy, że “ze względu na
dużą pojemność kondensatora wyjściowego
C2 napięcie wyjściowe U2 nie zmienia się
w czasie pracy”. Czy to prawda?
I tak, i nie!
Prawdą jest, że przy dużej częstotliwości
pracy i dużej pojemności kondensatora wła−
dowanie kolejnej, w sumie niewielkiej, porcji
energii z cewki, bardzo niewiele zmieni na−
pięcie na kondensatorze − o kilka czy kilka−
naście miliwoltów, czyli zmiana napięcia bę−
dzie rzędu 0,1%. Potem prąd obciążenia pły−
nący przez rezystor R
L
rozładuje kondensator
o te drobne miliwolty, potem napięcie znów
wzrośnie, itd... Ta−
kie zmiany napię−
cia o 0,1% może−
my spokojnie po−
minąć przy wstęp−
nej analizie. Stąd
założenie, że na−
pięcie na konden−
satorze wyjścio−
wym jest stałe.
Niemniej jed−
nak w wielu przy−
padkach interesuje
nas, jakie jest to na−
pięcie tętnień.
Oczywiście zależy
ono od pojemności
kondensatora wyj−
ściowego − czym
Projektowanie
W praktyce, mając jakąś cewkę o indukcyj−
ności L i prądzie nasycenia Ip oraz wiedząc,
jakie będzie maksymalne napięcie wejściowe
U1, obliczysz maksymalny czas włączenia
t
on
, nie powodujący nasycenia rdzenia cewki:
t
onmax
= L*Ip / U1max
Przy mniejszym napięciu U1 czas ten
mógłby być dłuższy, ale Ty musisz uwzglę−
dnić najgorszy przypadek.
Wiedząc, jakie ma być napięcie wyjścio−
we U2, możesz z łatwością obliczyć
U
L
=U2−U1, a potem czas t
off
z zależności
t
on
/ t
off
= U
L
/ U1
znając t
onmax
it
off
można obliczyć mini−
malną częstotliwość fmin.
W praktyce wystarczy policzyć t
onmax
.
W najbardziej niekorzystnym przypadku,
gdy napięcie wyjściowe na być bardzo duże,
czas T będzie tylko trochę większy niż t
onmax
(porównaj rysunek 7). Możesz więc od razu
obliczać najmniejszą częstotliwość pracy
f=1/t
onmax
Potem w praktycznym układzie i tak po−
winieneś pracować z jeszcze większą często−
tliwością, żeby przy największych prądach
przebiegi wyglądały jak na rysunkach
5b...7b, a nie jak na rysunkach 5a...7a. “Wy−
ciśniesz” wtedy z danej przetwornicy więk−
szą moc. Oczywiście nie możesz przesadzić
Piotr Górecki
Elektronika dla Wszystkich
25
Plik z chomika:
juno227
Inne pliki z tego folderu:
bezpieczniki.pdf
(1244 KB)
Bałaganiarze i fascynaci.pdf
(113 KB)
Aplikacje układów LM cz3.pdf
(477 KB)
APLIKACJE układów LM cz1.pdf
(454 KB)
APLIKACJE układów cz2.pdf
(424 KB)
Inne foldery tego chomika:
- ▧ ▍- FILMY - MOCNO EROTYCZNE(1)
- - ►►Asian Street Meat
- BDSM
- Inferal Restraints
-------- NIEWINNE --------
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin