Przetwornice - podstawowe konfiguracje -4.pdf - Przetwornice impulsowe - waclaw.sz

Listy od Piotra

Fundamenty Elektroniki

P rzetwornice impulsowe

Podsttawowe konffiigurracjje − prrzettworrniica prrzepusttowa

część 4

W poprzednich dwóch listach zapozna−

łem Cię z działaniem przetwornicy zapo−

rowej. W tym odcinku zaczynamy pozna−

wać dwa pozostałe rodzaje przetwornic

indukcyjnych. Jeśli zrozumiałeś działanie

przetwornicy zaporowej, nie będziesz

miał problemów z przyswojeniem sobie

wiadomości z tego listu.

także składa się

z “siekacza” wy−

twarzającego prze−

bieg prostokątny o

zmiennym współ−

czynniku wypełnie−

nia oraz filtru uśre−

dniającego LC

(patrz rrysunek 3b).

W przypadku filtru

RC z rysunku

3a wszystko jest

proste jak drut − kondensator wyjściowy

ładuje się w czasie gdy klucz jest zwarty,

a po jego otwarciu oddaje energię do ob−

ciążenia. Natomiast w przypadku filtru LC

sytuacja jest nieco inna − zwróć uwagę,

że na rysunku 3a nie ma diody D, która

w przypadku przetwornicy indukcyjnej

(rys. 3b) jest absolutnie niezbędna. Za−

równo obecność tej dio−

dy, jak i zachowanie sa−

mej cewki powodują, że

nie warto rozpatrywać

przetwornicy przepusto−

wej jako połączenia “sie−

kacza” i filtru LC, bo mo−

że to wręcz zaciemnić,

a nie rozjaśnić zagadnie−

nie. Do tego wątku je−

Przetwornica przepustowa − obniżają−

ca (z ang. forward converter, buck con−

verter, step down switching regulator).

Uproszczony schemat pokazany jest na

rrysunku 1. Jak się słusznie domyślasz,

w praktyce taka przetwornica będzie do−

datkowo wyposażona w obwód sterujący

pracą klucza S. Podobnie jak w przetwor−

nicy zaporowej, będzie to blok zmieniają−

cy współczynnik wypełnienia impulsów

sterujących kluczem.

Rys. 2

żadnego dowodu, że napięcie wyjściowe U2

jest mniejsze niż napięcie wejściowe U1.

Znów działanie związane jest z groma−

dzeniem energii w cewce i przekazywa−

niu jej potem do obciążenia. W pierwszej

fazie cyklu klucz S zostaje zwarty

(w chwili t1), a z baterii oraz kondensato−

ra filtrującego C1 przez indukcyjność

L płynie narastający prąd I1. Rysunek 4

pokazuje sytuację. W dławiku zaczyna

gromadzić się energia. Dla ułatwienia za−

łożyłem, iż na początku cyklu prąd w cew−

ce był równy zeru. Prąd I1 narasta z szyb−

kością wyznaczoną... no właśnie − przez

napięcie przyłożone do cewki, czyli − uwa−

żaj − przez różnicę napięć U1−U2.

Po pewnym czasie (w chwili t2) klucz

zostaje rozwarty − zaczyna się druga

część cyklu. Ilustruje to rrysunek 5 (po−

równaj też rysunek 1). W momencie roz−

warcia klucza Sprąd I1 na pewno przesta−

nie płynąć. Ale jak dobrze wiesz, cewka

nie znosi gwałtownych zmian prądu i rea−

guje na nie gwałtownymi zmianami na−

pięcia. Wytwarzając napięcie samoinduk−

Rys. 1

Ten układ regulacji z reguły zawiera

źródło napięcia wzorcowego i układ po−

równujący napięcie wyjściowe z wzorco−

wym. Już intuicja podpowiada, że gdy na−

pięcie wyjściowe się zmniejszy, układ re−

gulacji po prostu zwiększy współczynnik

wypełnienia impulsów. W praktyce klu−

czem jest najczęściej tranzystor bipolarny

PNP lub MOSFET P. Uproszczony sche−

mat blokowy praktycznej przetwornicy

przepustowej wygląda więc z grubsza

tak, jak na rrysunku 2.

To wszystko nie powinno budzić wąt−

pliwości.

Może nasuwa Ci się tu analogia z uśre−

dnianiem przebiegu prostokątnego przez

filtr RC. Na rrysunku 3a znajdziesz sche−

mat blokowy przetwornicy pojemnościo−

wej. W niektórych źródłach natrafisz na

informację, że omawiana w tym odcinku

indukcyjna przetwornica przepustowa

szcze wrócimy.

Przeanalizujmy teraz dokładniej rysun−

ki 1 i 2. Dla ułatwienia załóżmy, że prze−

twornica pracuje i napięcie wyjściowe U2

jest już ustalone, a pojemność C2 ma bar−

dzo dużą wartość. Przyjmij na razie bez

Rys. 3

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Listy od Piotra

Rys. 4

się duże napięcie

i tym samym

prąd spadnie bar−

dzo szybko, albo

zaindukuje się

małe napięcie

i prąd będzie po−

mału zmniejszał

swą wartość.

Wszystko będzie

zależeć od wa−

runków w obwodzie obciążenia. W każ−

dym razie w momencie rozwarcia klucza

S zaindukuje się dokładnie takie napięcie,

by podtrzymać przepływ prądu przez

cewkę. W naszym układzie z rysunków 1

i 2 mamy na wyjściu kondensator o dużej

pojemności, który jest dużym zbiornikiem

energii i na którym już wcześniej ustaliło

się potrzebne napięcie

wyjściowe U2. Nie

wchodząc w zbędne

szczegóły można stwier−

dzić, że dla zachowania

ciągłości przepływu prą−

du przez cewkę, zaindu−

kowane napięcie będzie

mieć wartość U2 plus

spadek napięcia na dio−

dzie D. Właśnie tyle po−

trzeba do podtrzymania

przepływu prądu przez

cewkę. Uwaga − na ry−

sunku 5b nie uwzględni−

łem spadku napięcia na

diodzie − przyjąłem, że

napięcie na cewce jest

dokładnie równe napięciu wyjściowemu

(co jest bliskie prawdy, gdy U2 jest dużo

większe od U D ).

Rysunek 5b jest bardzo podobny do

wcześniejszych rysunków dotyczących

przetwornicy zaporowej. Nic dziwnego −

ogólne zasady i związek między napię−

ciem a szybkością zmian prądu w cewce

są niezmienne. Główna różnica wstosun−

ku do przetwornicy zaporowej polega na

tym, że teraz w fazie ładowania (czas t 1 −

t 2 ) napięcie na cewce nie jest równe U1,

tylko jest równe różnicy napięć U1−U2.

Tym samym “napięcie ładowania” cewki

zależy od napięcia wyjściowego. Czy wo−

bec tego zmiany napięcia wyjściowego

nie wpłyną jakoś niekorzystnie na właści−

wości przetwornicy? Pytanie nie jest po−

zbawione sensu i może Cię trochę niepo−

koić, ale nie przejmuj się tym − na razie za−

uważ ciekawą i ważną cechę przetworni−

cy przepustowej. Jak pokazują rysunki 1

oraz 4, w fazie ładowania prąd I1 płynie

ze źródła zasilania nie tylko przez cewkę

L, ale jednocześnie przez obciążenie (C2

oraz RL). Stąd zresztą nazwa − przetwor−

nica prrzepusttowa. We wcześniej oma−

wianej przetwornicy zaporowej tak nie

było − sprawdź w poprzednich odcinkach,

że tam “ładujący” prąd I1 nie płynął przez

obciążenie. W przetwornicy przepusto−

wej płynie. Czy to dobrze, czy źle?

Jak myślisz?

Słusznie! Jest to zjawisko jak najbar−

dziej pozytywne. W znanej Ci już prze−

twornicy zaporowej cała energia przeka−

zywana na wyjście musiała być w pierw−

szej fazie cyklu zmagazynowana w cew−

ce, a w drugiej fazie przekazana do obcią−

żenia. Teraz jest inaczej − część energii

(mocy) przekazywana jest na wyjście od ra−

zu, niejako przy okazji przepływu prądu ła−

dującego cewkę. W fazie rozładowania (t2−

t3), do obciążenia zostaje dodatkowo prze−

kazana energia zgromadzona w cewce.

cji cewka niejako szuka możliwości pod−

trzymania przepływu prądu. Po rozwarciu

przełącznika cewka staje się źródłem

energii, indukuje się na niej napięcie

o biegunowości przeciwnej niż poprze−

dnio, co pozwala podtrzymać przepływ

prądu przez cewkę w tym samym kierun−

ku. Będzie to malejący prąd I2 płynący

w obwodzie L, (C2, R L ), D. Doceń kluczo−

wą rolę diody D − bez niej prąd nie mógł−

by się zamknąć w tym obwodzie.

Jakie napięcie zaindukuje się w cew−

ce?

Zwróć baczną uwagę na napięcia

orazstromość narastania iopadania prądu,

a także napięcia na rysunkach 4b i 5b.

Mam nadzieję, że w poprzednich odcin−

kach przyswoiłeś sobie zależność między

napięciem na cewce, a szybkością nara−

stania prądu. Jest to kluczowa sprawa,

dlatego muszę to przypomnieć.

Podstawowy podręcznikowy wzór to

U= −L (di/dt)

gdzie owo okropne di/dt wyraża po

prostu chwilową szybkość zmian prądu (i)

w czasie (t), a znak minus wskazuje bie−

gunowość napięcia i nie jest w tej chwili

istotny.

Jeśli prąd narasta lub opada liniowo

czyli jednostajnie, wzór ten możemy zapi−

sać w prostszej postaci (pomijamy znak

minus):

U= L(

Rys. 5

a w wielu wypadkach nawet jeszcze

prościej:

U= L * I / t

Nie zapominaj, że napięcie Ujest za−

wsze nierozerwalnie związane z szybko−

ścią zmian prądu (

Czy już “czu−

jesz przez skórę”, że przetwornica prze−

pustowa przeniesie na wyjście moc

większą niż przetwornica zaporowa z ta−

ką samą cewką? Jeśli to czujesz, to bar−

dzo dobrze! Jeśli nie, z czasem zrozu−

miesz − nie będę tego teraz szczegółowo

uzasadniał. Wkopalibyśmy się bowiem

w zawiłe zależności między napięciami,

czasami i częstotliwością.

Na razie wracamy do układów z rysun−

ków 1 oraz 2. Rozważmy kilka przypad−

ków. W każdym z nich napięcia wejścio−

we U1 i wyjściowe U2 są takie same.

Zmienia się tylko rezystancja obciążenia,

a tym samym potrzebna moc wyjściowa

oraz prądy I L , I1 oraz I2. Rysunek 6a poka−

zuje przebiegi w sytuacji, gdy obciążenie

R L ma dużą oporność ipotrzebny prąd ob−

ciążenia jest bardzo mały. Intuicja podpo−

wiada, że aby przekazać niewiele energii,

wystarczy otwierać tranzystor na krótki

czas.

Przebiegi pokazane na rrysunku 6b po−

kazują sytuację, gdy rezystancja R L jest

mniejsza (wymagany prąd I L większy).

Układ regulacyjny zwiększy czas przewo−

dzenia tranzystora. To też jest oczywiste.

t): większe napię−

cie − to szybsze zmiany prądu. Z kolei po−

wolne zmiany prądu oznaczają, iż napię−

cie jest niewielkie.

W fazie ładowania szybkość narasta−

nia prądu jest wyznaczona przez napięcie

przyłożone do cewki. W przypadku prze−

twornicy przepustowej napięcie na cew−

ce podczas ładowania jest równe różnicy

U1−U2.

W fazie rozładowania sytuacja jest tro−

chę inna. Zarówno napięcie, jak i szyb−

kość zmian (opadania) prądu w zasadzie

mogą być dowolne. Tak! Może pojawić

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Listy od Piotra

Przy jeszcze mniejszej wartości R L

(i większym prądzie I L ) przebiegi będą

wyglądać jak na rrysunku 6c.

Zwróć uwagę, że na rysunkach 6a,

6b i 6c szybkość narastania i opadania

prądu są ściśle związane z napięciami od−

powiednio UL=U1−U2 oraz U2.

A co się stanie, gdy rezystancja obcią−

żenia jeszcze się zmniejszy?

Podobnie jak w układzie przetwornicy

zaporowej prąd wzrośnie i przebiegi będą

wyglądać jak na rrysunku 6d. Prąd cewki

w żadnej chwili nie maleje tu do zera,

a napięcia i szybkości zmian prądu są ta−

kie same jak na poprzednich rysunkach.

Podobnie jest przy dalszym wzroście prą−

du obciążenia − porównaj rrysunek 6e.

Oczywiście nie powinniśmy zwięk−

szać prądu obciążenia wnieskończoność,

bo w końcu przekroczymy dopuszczalną

dla danej cewki wartość prądu Ip, rdzeń

wejdzie w nasycenie, prąd niepotrzebnie

będzie gwałtownie rósł, jak pokazuje to rry−

sunek 6ff. (Samodzielnie możesz się zasta−

nowić, czym wprzetwornicy przepustowej

grozi, a czym nie grozi zwiększenie prądu

powyżej Ip − sytuacja jest tu nieco inna niż

w przetwornicy zaporowej, bo prąd łado−

wania cewki płynie przez obciążenie.)

No dobra, teraz idziemy dalej.

Słusznie się domyślasz, że regulację

napięcia wyjściowego możemy przepro−

wadzać zmieniając współczynnik wypeł−

nienia impulsów sterujących otwiera−

niem klucza. Teraz uważaj! Czy już zau−

ważyłeś, że przy większych prądach ob−

ciążenia (gdy chwilowa wartość prądu

w cewce nigdy nie spada do zera) w za−

sadzie niepotrzebna byłaby żadna auto−

matyka, i generator sterujący mógłby

mieć stały współczynnik wypełnienia?

Porównaj rysunki 6c, 6d i 6e.

Czy przypomniało Ci się określenie

“transformator prądu stałego” z jednego

z poprzednich odcinków?

Doskonale! Analogicznie jak w prze−

twornicy zaporowej, jeśli prąd cewki nie

spada do zera, nasz układ zachowuje się

jak “transformator prądu stałego” − jego

“przekładnia” jest wyznaczona przez sto−

sunek czasu t on it off . Oczywiście zależ−

ność będzie trochę inna niż w przetworni−

cy zaporowej, bo w czasie t on do cewki

przyłożone jest napięcie U1−U2.

Korzystając ze wzoru

U= L(

I /

w zakresie od 0 do U1. Wspaniale! Na

pewno zechcesz wykorzystać taki układ

w roli zasilacza o płynnie regulowanym

napięciu wyjściowym. Będzie on miał

ogromną przewagę nad klasycznym zasi−

laczem o pracy ciągłej, bo straty mocy

będą małe, a sprawność znakomita

(80...95%).

Zanim jednak zaczniesz projektować

taki zasilacz impulsowy zastanów się, czy

w dotychczasowych rozważaniach wszy−

stko Ci pasuje...

Rozumiesz to wszystko?

A jak to jest z tym współczynnikiem

wypełnienia impulsów?. Analizując rysu−

nek 3 doszliśmy do wniosku, że będzie

on zależny od prrądu − czym większy prąd

wyjściowy, tym większy współczynnik

wypełnienia. Tak podpowiadała intuicja!

Przed chwilą podałem Ci wzór wskazują−

cy, iż współczynnik wypełnienia zależy od

napiięciia. I wygląda, że tylko od napięcia,

bo we wzorze prąd nie występuje!

Jak sobie radzisz z taką sprzeczno−

ścią? Jak jest naprawdę?

Znasz odpowiedź?

Jeśli tak, to naprawdę rozumiesz

działanie przetwornic impulsowych.

Gratuluję!

Ci, którzy nie wiedzą, znajdą

odpowiedź w następnym odcinku: żadnej

sprzeczności tu nie ma!

Rysunki 6a, b, c wskazują, że przy

małych prądach wypełnienie będzie za−

leżeć właśnie od prądu obciążenia. Sy−

tuacja taka ma miejsce, gdy w części

okresu prąd spada do zera, czyli gdy

cewka w części okresu jest wolna od

energii (bezczynna). Można powiedzieć,

że układ automatycznej regulacji (rys. 2)

tak dobiera współczynnik wypełnienia,

by przenieść na wyjście potrzebną moc

(U2*I L ).

Natomiast przy większym obciąże−

niu, gdy przez cewkę cały czas płynie

prąd (rysunki 6d, e), współczynnik wy−

pełnienia ustala jedynie napięcie wyj−

ściowe, a (średni) prąd rośnie lub male−

je w zależności od obciążenia.

Istnieją przetwornice, które nie mają

żadnej automatyki i pracują przy stałym

współczynniku wypełnienia impulsów

sterujących. Nie zapominaj jednak, że

taka praca jest możliwa tylko przy więk−

szych prądach. Właśnie dlatego w nie−

których źródłach znajdziesz wzmianki

o minimalnym prądzie obciążenia (lub

minimalnej indukcyjności). Nie prze−

strasz się tym! Chodzi o to, by prąd

cewki nie malał do zera − wtedy układ

zachowuje się jak “transformator prądu

stałego”. Gdy prąd obciążenia jest

mniejszy, niedociążona przetwornica

przestaje być “transformatorem prądu

stałego” i napięcie wyjściowe wzrasta.

Rys. 6.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

podstawiając i przekształcając doszliby−

śmy do beznadziejnie prostej zależności:

U2 = U1 [ t on / (t on +t off) ] = U1 tt on // T

gdzie T=t on +t off to okres.

Wynik jest jak najbardziej zgodny z in−

tuicją − czym większe ma być napięcie

wyjściowe, tym większy współczynnik

wypełnienia. Przy okazji potwierdza się,

że zmieniając współczynnik wypełnienia

możemy zmieniać napięcie wyjściowe

Listy od Piotra

W praktyce wystarczy zastosować

układ automatyki wg rysunku 2, zmienia−

jący wypełnienie impulsów od zera do

100% i wtedy nie ma takich ograniczeń

na prąd minimalny i napięcie wyjściowe.

Jeśli to zrozumiałeś, idziemy dalej.

Przypuszczam, że jeszcze masz pew−

ne wątpliwości odnośnie napięć wyjścio−

wych. Trochę Cię niepokoi fakt, że zmia−

na napięcia wyjściowego U2 zmienia

też napięcie “ładowania” cewki równe

U1−U2. Nie dziwię Ci się, że o tym my−

ślisz. Intuicyjne przyswojenie sobie wy−

stępujących tu zależności jest rzeczywi−

ście trochę trudniejsze, ale poradzimy so−

bie i z tym.

Na rrysunkach 7,, 8 i 9 znajdziesz prze−

biegi napięcia i prądu przy różnych na−

pięciach wyjściowych. Co istotne,

w każdym przypadku napięcie wejścio−

we U1 jest takie samo. W sytuacji z ry−

sunku 7 napięcie wyjściowe U2 jest pię−

ciokrotnie mniejsze od wejściowego.

W drugim przypadku (rysunek 8) napię−

cie U2 jest równe połowie U1, nato−

miast w sytuacji z rysunku 9 napięcie

U2 to 5/6 napięcia wejściowego U1. Na

rysunkach 7a, 8a, 9a pokazałem Ci sytu−

ację w układzie z pewną indukcyjnością

przy jakimś niewielkim prądzie. Na ry−

sunkach 7b, 8b i 9b znajdziesz przebiegi

w układzie z tą samą indukcyjnością, ale

przy prądzie szczytowym zbliżonym do

prądu nasycenia Ip. I wreszcie na rysun−

kach 7c, 8c i 9c znajdziesz przebiegi

w układzie z cewką o znacznie większej

indukcyjności − zauważ, że zmiany prą−

du są mniejsze, ale nachylenie w czasie

ładowania i rozładowania nadal jest pro−

porcjonalne do napięć ładowania (U1−

U2) i rozładowania (U2).

Rys. 8.

W poprzednich listach wykazałem,

że moc przetwornicy zaporowej silnie

zależy od stosunku napięć wyjściowego

i wejściowego. Okazało się, że prze−

twornicy zaporowej nie warto stosować

przy małych napięciach wyjściowych.

Podałem Ci wzór na teoretyczną moc

maksymalną przetwornicy zaporowej

(przy bardzo dużej częstotliwości)

Pmax = U1*Ip * [U2 / (U2+U1)]

A jak to wygląda w przetwornicy

przepustowej?

Odpowiedź znajdziesz analizując ry−

sunki 7c, 8c i 9c. Przy dużej indukcyjno−

ści (lub dużej częstotliwości pracy) wa−

hania prądu są minimalne − możemy je

pominąć i założyć, że średni prąd na ry−

sunkach c jest równy Ip. Skoncentruj

się! Patrząc na rysunku 7c, 8c, 9c bez

trudu zauważysz, że w każdym przypad−

ku średni prąd ładowania wynosi

I1 = Ip (t on /T)

W czasie ładowania cewki, do obcią−

żenia jest już dostarczana moc

Tu również okazuje się, że czym

większe napięcie wyjściowe, tym więk−

sza moc. Ponieważ w przetwornicy

przepustowej napięcie wyjściowe nie

może być większe od wejściowego,

ostatecznie moc będzie największa, gdy

napięcie wyjściowe będzie (niemal) rów−

ne wejściowemu − moc wyniesie wtedy

Pmax = U1 * Ip

I wszystko zgadza się z intuicją: jeśli

przetwornicę przepustową “otworzymy

na stałe”, napięcie wyjściowe będzie

równe wejściowemu i rzeczywiście

moc dostarczana do obciążenia będzie

równa U1 * Ip.

A może więcej? Co nam szkodzi

zwiększyć wtedy prad powyżej Ip?

Że rdzeń się nasyci? A co nas to obcho−

dzi − przecież tranzystor−klucz jest na

stałe otwarty!

Stop! Nie przesadzaj! W praktyce

Twoja przetwornica nigdy nie będzie

“na stałe otwarta”, bo zechcesz praco−

wać przy napięciach wyjściowych

mniejszych niż wejściowe. Dlatego nie

ma sensu rozpatrywać sytuacji, gdy

tranzystor−klucz stale przewodzi.

No tak, ale może nawet gdy

U2<U1uda się coś “zarobić”, zwiększa−

jąc prąd powyżej Ip? Wcześniej prosi−

łem, byś się zastanowił, czym to grozi.

Ponieważ obciążenie R L jest włączone

w szereg z cewką, więc sytuacja jest in−

na niż przetwornicy zaporowej i nie

można powiedzieć, że “prąd będzie się

marnował”.

Jednak pzetwornica przestanie być

przetwornicą indukcyjną według rysun−

ku 1 czy 3b, a stanie się przetwornicą

pojemnościową według rysunku 3a. Ro−

lę rezystancji ograniczającej prąd łado−

wania będzie pełnić (niewielka) rezy−

stancja uzwojenia cewki, a sprawność

znacznie spadnie. W skrajnym przypad−

ku duży prąd ładowania (ograniczony

niewielką rezystancją cewki) może

uszkodzić tranzystor−klucz.

Zamykamy sprawę: nawet gdyby

tranzystor się nie uszkodził, także

Rys. 7.

Przeanalizuj teraz bardzo starannie

rysunki 7....9. Powinny one rozjaśnić Ci

całkowicie obraz sprawy.

A my zajmiemy się jeszcze jedną

kwestią. Czy na podstawie rysunków

7...9 potrafiłbyś coś powiedzieć o mocy

przenoszonej (czyli po prostu o mocy

naszej przetwornicy)? Czy ta moc zależy

jakoś od napięcia wyjściowego?

P1=U2 *I1 = U2 * Ip (t on /T)

Z kolei średni prąd rozładowania wynosi

I2 = Ip (t off /T)

Czyli w fazie rozładowania do obcią−

żenia jest dostarczana moc

P2=U2 * I2 = U2 * Ip (t off /T)

Moc całkowita

P = P1+P2 = U2 * Ip [(t on +t off ) / T]

p = U2 * IIp

I co, jesteś zdziwiony?

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Listy od Piotra

Rys. 9.

pięciu ładowania U1−U2) czas t on mógł−

by być znacznie dłuższy, za to krótszy

będzie czas t off .

Aby znaleźć najgorszy przypadek

należałoby napisać wzory na t on it off ,

znaleźć wzór na T (okres), potem na

f (częstotliwość) i zbadać go w funkcji

U2/U1. Jeśli ktoś chce, niech to zrobi −

po przekształceniach trzeba będzie

zbadać funkcję

y=−x 2 + x

Okaże się, że najgorszy przypadek

występuje przy U2 = 0,5 U1. Poniekąd

potwierdza to rysunek 8b, ale ten rysu−

nek to żaden dowód. W każdym razie

dla tego najgorszego przypadku

(U2=0,5U1) minimalna częstotliwość

przetwornicy wynosi

fmin = U1

4 LIp

Gdyby częstotliwość była mniejsza

(czasy dłuższe), prąd nadmiernie wzro−

śnie i rdzeń cewki się nasyci.

Gdyby przetwornica miała praco−

wać przy stałym napięciu wyjściowym

U2, innym niż 0,5U1, wtedy minimalna

częstotliwość mogłaby być mniejsza.

W praktyce i tak należy pracować

z możliwie dużą częstotliwością (ogra−

niczoną przez straty histerezy rdzenia

i straty przełączania tranzystora), dla−

tego do wstępnych szacunkowych

obliczeń należy wykorzystać wzór

fmin = U1

4LIp

i wybrać częstotliwość pracy więk−

szą niż tak wyliczona.

Jak wykazano wcześniej, przy czę−

stotliwości minimalnej moc przetwor−

nicy nie przekroczy

P = 0,5 U2 * Ip

Oczywiście częstotliwość może,

i w miarę możliwości powinna być

większa − wtedy zmiany prądu będą

mniejsze, przebiegi będą podobne jak

na rysunkach 7c, 8c, 9c, 10a i moc

przenoszona będzie o kilkadziesiąt

procent większa niż przy częstotliwo−

ści minimalnej (teoretycznie

P=U2*Ip).

Mam nadzieję, że cały czas nadą−

żasz za mną. Jeśli jednak masz jakie−

kolwiek kłopoty ze zrozumieniem cało−

ści materiału, przeanalizuj dokładnie

ten i poprzednie odcinki, a jeśli i to nie

pomoże, napisz do mnie (na adres re−

dakcji). W razie potrzeby wrócimy do

tematu.

Tyle na temat przetwornicy przepu−

stowej. W następnym odcinku zapo−

znam Cię z przetwornicą podwyższającą.

w przetwornicy przepustowej nie po−

winniśmy pracować przy prądach więk−

szych od prądu na−

sycenia cewki Ip,

a moc maksymal−

na nie przekroczy

P = U2 * Ip

Czy jednak nie

zgubiłeś się

w powyższych

rozważaniach? Co

to za moc?

Jest to teore−

tyczna moc ma−

ksymalna, jaką

można “wydusić”

z przetwornicy

przy następujących założeniach:

− pomijamy wszelkie straty (spadek

napięcia na diodzie D, rezystancji cewki

i napięcie nasycenia tranzystora);

− zakładamy, że średni prąd płynący

przez cewkę jest równy Ip (co jest bli−

skie prawdy tylko przy bardzo dużej czę−

stotliwości pracy albo przy bardzo dużej

indukcyjności − przebieg prądu wygląda

wtedy mniej więcej jak na rysunku 10a).

W praktyce nie zwiększamy

nadmiernie indukcyjności i nie pracuje−

my przy bardzo dużych częstotliwo−

ściach. Wtedy oczywiście moc jest

mniejsza. W granicznym przypadku,

jak na rysunku 10b, gdy prąd chwilowo

spada do zera, przenoszona moc jest

o połowę mniejsza od wcześniej wyli−

czonej (i dodatkowo pomniejszona

o straty w elementach przetwornicy).

Patrząc na rysunek 10 nie zastanawiaj

się, jakiej konkretnie częstotliwości

odpowiada ta sytuacja, lub jaka jest in−

dukcyjność (indukcyjności) − to nie ma

znaczenia (podobnie, jak wartości na−

pięć). Chodzi tylko o kształt prądu,

a ściślej o jego wartość średnią − nie

masz wątpliwości, że przy tej samej

wartości Ip średnia wartość prądu z rry−

sunku 10a jest niemal dwukrotnie

większa niż tego z rrysunku 10b.

Rys. 10.

Przypuśćmy teraz, że chcemy zbu−

dować przetwornicę zaporową, a wła−

ściwie zasilacz impulsowy o regulowa−

nym napięciu wyjściowym. Mając ja−

kąś cewkę o prądzie nasycenia Ip oraz

indukcyjności L musimy dobrać czę−

stotliwość pracy tak, by w najgorszych

warunkach prąd nie przekroczył warto−

ści Ip. Chyba już zauważyłeś, że prąd

rośnie tym szybciej, im większe jest

napięcie ładowania (równe U1−U2) −

zobacz rysunki 4 i 7...9. Gdy napięcie

wyjściowe U2 jest bardzo małe, napię−

cie ładowania jest zbliżone do U1 (rys

7). Znając Ip, L oraz U1 możesz już

obliczyć maksymalny czas włączenia

tranzystora (t on ) przy bardzo małych

napięciach wyjściowych. Przekształca−

jąc znany Ci dobrze wzór otrzymasz:

t onmax = L * Ip / U1

I co to jest za czas? Czas ten doty−

czy tylko przypadku, gdy U2 jest bli−

skie zeru. Sytuacja wygląda wtedy

mniej więcej tak, jak na rysunku 7.

Przypuśćmy, że obliczyłbyś czas t on .

Niewiele to daje. Gdy czas ton jest

krótki, na pewno (bardzo) długi będzie

czas t off , bo napięcie U2 jest bardzo

małe Przy większym napięciu wyjścio−

wym U2 (a tym samym mniejszym na−

Piiottrr Górreckii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

Przetwornice - podstawowe konfiguracje -4.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: