Импулсен регулатор. Функции за стабилизиране на изходното напрежение и PWM контролер. Електронен ключ и драйвер за управление

ИМПУЛСНИ РЕГУЛАТОРИ ЗА ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ
за захранване на многостепенни инвертори

Юрий Кумаков, кандидат на докторска степен, Саратовски държавен технически университет

Обещаваща посока в развитието на вентилни честотни преобразуватели, базирани на автономни инвертори на напрежение, е използването на схеми с многостепенна модулация на изходното напрежение. Юрий Александрович Кумаков вече говори за едно от разработките в тази област - инвертори на напрежение с многостепенна модулация - в нашето списание („Новини на електротехниката“ № 6(36) 2005 г.).
При разработването и прилагането на многостепенни схеми е необходимо едновременно да се получат няколко нива DC напрежениеза захранване на инвертора. В днешния материал авторът разглежда въпроси, свързани с използването на превключващи регулаторипостоянно напрежение.

IN последните годинивериги на вентилни честотни преобразуватели, базирани на автономни инвертори на напрежение (AVI) с многостепенна стъпкова модулация (SM) или многостепенна модулация с ширина на импулса (PWM) на изходното напрежение, стават все по-широко разпространени. Тъй като броят на нивата се увеличава, става възможно да се генерира стъпково напрежение, което се доближава до синусоидалното напрежение с точност, определена от броя на нивата. В резултат на това става възможно да се намалят загубите на мощност и да се намали честотата на ШИМ (ако се използва), както и значително да се подобри хармоничният състав на изходното напрежение на PV. Тези ефекти стават по-значими с увеличаване на броя на нивата на изходното напрежение. При разработването и внедряването на многостепенни схеми става необходимо да се получат едновременно няколко нива на постоянно напрежение за захранване на инвертора. В някои случаи това може да се постигне единствено чрез схемни решения, използващи само един източник на захранване (PS). В други случаи има нужда едновременна употребаняколко индивидуални предприемачи постоянен токили напрежение.

СЪВРЕМЕННИ НАЧИНИ НА ХРАНЕНЕ

Един от обещаващи посокиРазвитието на многостепенните конвертори беше използването на многоклетъчни структури. Всяка клетка от такава структура се състои от еднофазни мостови преобразуватели, направени на напълно контролирани ключове. Всички клетки са свързани последователно отстрани променлив токв каскади (преобразувателите с такава схема се наричат ​​още каскадни). Клетките се захранват от изолирани DC захранвания, в общ случайс различни напрежения.
Друга стъпка беше разработването на AVI с многостепенна модулация, чийто голям брой нива на изходно напрежение се постигат чрез специален метод на трансформаторно сумиране на напреженията на два моста. Въпреки това AIN с многостепенна модулация също изискват няколко PI. Например, AIN с 24-степенна модулация изисква три, с 40-степенна модулация - четири, с 60-степенна модулация - пет IP.
В някои случаи за тази цел могат да се използват няколко трансформатора с две намотки, всеки от които е свързан към неконтролиран токоизправител. Този метод е доста приемлив, но цената на такова устройство може да бъде много висока.
Също така е възможно едновременното използване на няколко управлявани токоизправителя с изходи различни ниваволтаж. Сериозен недостатък на този метод обаче е импулсното потребление на ток от входната мрежа, което в много случаи води до изкривяване на формата на кривите на напрежението и съответно до влошаване на работата на всички консуматори на електроенергия в същата мрежа. Този проблем често се решава чрез замяна на група контролирани токоизправители с група импулсни регулатори на постоянно напрежение (IDV) 1, захранвани от един или няколко неконтролирани токоизправители, оборудвани с LC филтър. Този метод позволява да се постигне консумация на почти синусоидален ток от входната мрежа с cos j близо до 1. Вериги с IRPN имат висока ефективност; наличието на трансформатори не се изисква в тях, но в сравнение с трансформаторните захранвания се изискват кондензатори с голям капацитет както в самите силови трансформатори, така и в неконтролирания токоизправител.

1 IRPN се наричат ​​още стабилизатори на импулсно напрежение (IVR).

ВИДОВЕ ИРПН

Най-известните са три вида IRPN:

• стъпка надолу (U out по-малко от U in);
• усилване (U out е по-голямо от U in);
• обръщане (U out има произволна стойност, но знакът е обратен на U in).

Ориз. 1
Схема на IRPN: а) понижаващ тип,
б) тип усилване,
в) обръщащ тип

IRPN КОНТРОЛ

Оптималният алгоритъм за управление на ключове T за всеки тип IRPN е използването на PWM, тъй като:

• висока ефективност и оптимална честота на преобразуване се осигуряват независимо от напрежението на първичния източник на захранване Uin и тока на натоварване;
• честотата на пулсации при товара е постоянна, което е важно за редица потребители на електроенергия;
• реализирана е възможността за едновременна синхронизация на честотите на преобразуване на неограничен брой IRPN, което елиминира риска от честотни удари, когато няколко IRPN се захранват от общ първичен DC източник.

МЕТОДИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА IRPN

Традиционно IRPN се управлява по такъв начин, че токът през индуктора L да е непрекъснат. Тогава външните и управляващите характеристики на IRPN при продължителен ток са линейни. При прекъсващ ток те са нелинейни и контролните характеристики също са двусмислени. Освен това изчисленията за режим на прекъсващ ток са по-сложни, отколкото за непрекъснат ток. При избора на режим на работа на IRPN за захранване на APS е необходимо да се вземе предвид, че за да се осигури режим на непрекъснат ток на IRPN, индуктивността на индуктора трябва да бъде достатъчно голяма и неговият размер се увеличава с намаляване в пулсациите на входния ток и изходното напрежение. Въпреки това, спецификата на AIN като захранващ товар е импулсният характер на потреблението на ток с рязка промяна от нула към работната стойност и обратно, което се дължи на вентилното разпределение на енергията в инверторите на напрежение. Натрупването на значителна енергия в индуктора може да доведе до скокове на изходното напрежение, когато вентилът е изключен, и спад на напрежението, когато е включен. Следователно, при захранване на променлив ток, режимът на прекъсващ ток на индуктора е по-оптимален, което изисква по-малка индуктивност на индуктора.
И така, предимствата на периодичния режим IRPN са: липсата на скокове на напрежение при захранване на импулсен товар и по-ниска номинална стойност на индуктора при същата стойност на максималния ток IRPN, липсата на колебания на изходното напрежение, продължаващи повече от един или два цикъла на ШИМ . Недостатък - увеличаване на капацитета на кондензатора C. Недостатъци, свързани с нелинейността на характеристиките с микропроцесорно управление на IRPN от голямо значениеНямам.

ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА ВЕРИГИ ЗА РЕЖИМ НА ПЕРЕМИТЕН ТОК

Първоначалните (специфицирани) параметри на IRPN са входното и изходното напрежение на IRPN U in и U out, максималния ток I max, консумиран от товара, и максималната стойност на пулсации U out при ток I max, която може да бъде означена D U макс. При захранване на многостепенен AI, стойностите на Uin и Uout са постоянни.
При внедряването на веригата IRPN е необходимо, като се започне от стойностите на тези четири количества, да се изчислят стойностите на честотата на превключване на превключвателя T в режим PWM T PWM, капацитета на кондензатора C, индуктивността на индуктор L и намерете оптималния алгоритъм за изчисляване на стойността Q - коефициента на запълване (коефициента на запълване) на импулса на PWM, равен на съотношението време на отваряне на ключа T към продължителността на един период на PWM. Тъй като стойностите на T PWM, C и D U max са пряко свързани една с друга, може да се посочи една от стойностите на T PWM и C, а стойността на втората трябва да се изчисли според даден параметъри стойността на D U макс.

ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА КАПАЦИТЕТ C И ЧЕСТОТА T PWM

От фиг. 1 се вижда, че кондензатор С, образуващ изходно напрежение U out и изглаждащите пулсации, причинени от импулсния характер на превключвателя, са един и същ елемент на IRPN от всички видове. Следователно изчисляването на капацитета C или стойността T на PWM за всички видове IRPN се извършва по един и същи начин. В този случай е препоръчително да се започне от максималната стойност на пулсациите на изходното напрежение D U max в режим на прекъсващ ток на индуктивност. За случая, когато определената стойност е честотата на ШИМ T, а изчислената стойност е C, капацитетът C може да се изчисли по формулата:

(1)

(2)

Ориз. 2. Схеми на IRPN от регенеративен понижаващ тип
а) неконтролируем,
б) контролирани

Следващата стъпка при изчисляването на IRPN вериги е да се получи стойността на индуктивността L. От фиг. 1 следва, че за понижаващ тип IRPN, както зарядният ток, така и разрядният ток на индуктора L протичат към земята през капацитет C. За усилващия и инвертиращия тип IRPN, разрядният ток на индуктора протича през капацитета, но зарядният ток не. Следователно методите за изчисляване на стойността на L са различни.

IRPN усилващи и инвертиращи типове

Нека първо разгледаме изчисляването на индуктивността L за усилващия и инвертиращия тип IRPN. Да кажем, че капацитетът C, в момента зареден до напрежение U C, трябва да бъде презареден за един период на ШИМ до необходимото напрежение U out. Разликата между даденото и текущото напрежение е dU C = U out – U C. Тогава стойностите на L и Q за тези типове IRPN в режим на прекъсващ ток ще бъдат свързани с приблизителната формула:

(8)

Ориз. 3. Зависимости на Q от dU C за различни Q 0 .
Всички (dU C) 0 = 1 V; Qmax = 0,9

Както беше отбелязано по-горе, статичната контролна характеристика с непрекъснат ток на индуктор е линейна; с прекъсващ ток, както се вижда от формула (8) и фиг. 3, той е нелинеен, но контролният MK може лесно да го съхранява под формата на таблица (50–100 стойности са достатъчни). Захранване с такъв алгоритъм за управление понася добре импулсни натоварвания, без да причинява спад или скок на напрежението в началото или края на импулсите на изходния ток. На фиг. Фигура 4 представя резултатите от моделирането на стационарното състояние в IRPN от понижаващ тип.

Ориз. 4. Процеси в понижаващ тип IRPN в стабилно състояние.
Uin = 180 V; U изход = 60 V; ток на натоварване 6 A; T PWM = 100 kHz

Функции за стартиране на IRPN

Горните изчисления на управляващата характеристика са подходящи само за стабилен режим на работа на IRPN. Специален случайе началото на RPPN, при което напрежението U C първоначално е равно на нула. В този случай прилагането на алгоритъма за всеки тип IRPN ще доведе до прекомерно натрупване на енергия в индуктора L, което от своя страна ще причини значителен скок в напрежението на кондензатора C, след като достигне определената стойност U out и се превърне извън клапана Т.
Проблемът може да се реши по два начина. Първият е, че след включване на захранването контролният MK трябва да ограничи максималния работен цикъл Q max до стойности от 0,2–0,3, докато напрежението на капацитета стане приблизително равно на U out. Но По най-добрия начин– забранява работата на ANI за времето за зареждане C, като по този начин се постига нулиране на изходния ток, докато Q 0 (при (dU C) 0 = D U max) за времето за зареждане C се ограничава до стойности от порядъка на 0,1 или по-малко.
На фиг. Фигура 5 представя резултатите от моделирането на пускането на IRPN от понижаващ тип с изключен товар. Вижда се, че използването на описания алгоритъм ни позволява да избегнем силен скок на изходното напрежение и последващи колебания в изходното напрежение след достигане на зададената стойност U out.
Процесите в реални мрежи могат да се различават от тези, показани на фиг. 5 поради, например, ограничаване на стойността на входния ток IRPN. В последния случай процесът на зареждане на контейнера се удължава.

Ориз. 5. Процеси в понижаващ тип IRPN в режим на стартиране без натоварване и в момента след включване на товара.
Uin = 180 V; U изход = 60 V; ток на натоварване 6 A; T PWM = 10–5 s; Q 0 (начален) = 0,08; Q 0 (работещ) = 0,6

заключения

1. Всички видове IRPN са подходящи за захранване на AIN на много нива. Типът IRPN за захранване на конкретни АРР може да бъде избран въз основа на съотношението на U in и U out, както и от изчислената индуктивност на индуктора L за различни модификации на IRPN.
2. При захранване на многостепенни APS режимът на прекъснат ток на индуктора е оптимален, тъй като захранването, базирано на такъв IPS, е по-подходящо за захранване на импулсен товар (няма скокове или спадове в изходното напрежение в началото и в края на изходните токови импулси). В допълнение, режимът на прекъсващ ток избягва нежеланите колебания на напрежението, продължаващи повече от един или два цикъла на ШИМ.
3. Препоръчително е да поверите управлението на няколко IRPN на един AIN на един контролен MK, оборудван с необходимия брой ADC и PWM модулатори. Контролният MC трябва да осигури специален режим на стартиране на IRPN, за да се предотвратят пренапрежения на товара.

Литература

Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Перспективи за използване на гъвкави (контролирани) системи за пренос на променлив ток в Единната енергийна система на Русия // Електротехника. – 2004. – № 8. – С. 30–36.
2. Лазарев Г. Л. Преобразуватели за високо напрежение за честотно управлявани електрически задвижвания. Изграждане на различни системи // Новини на електротехниката. – 2005. – № 2(32).
3. Кумаков Ю.А. Инвертори на напрежение със стъпкова модулация и активно филтриране на висши хармоници // Електротехника. – 2005. – № 6(36).
4. Кумаков Ю.А. Инвертор на напрежение с многостепенна модулация: RF патент за полезен модел: MPK8 N 02 M 7/48 / Автор и заявител Kumakov Yu.A.; заявление No 2006114517/17 от 27.04.2006г.
5. Превключващи стабилизатори// Електроника и микросхеми [Електронен ресурс]: Интернет учебник / Винишки държавен университет. тези. Университет, Институт AEKSU, отдел. MPA; редактиран от Доцент доктор. Ю.В. Шабатури. – http://faksu.vstu.vinnica.ua/SiteNEV/rus/erectronic_inter/ew2/ch2-3/12_4.htm.
6. Зиновиев Г.С. Основи на силовата електроника: Учебник. – Новосибирск: Издателство на NSTU, 2000. – Част 2 – стр. 9–31.

И ТРАНЗИСТОРЕН ИМПУЛСЕН РЕГУЛАТОР НА НАПРЕЖЕНИЕТО

Биполярните транзисторни превключватели формират основата на повечето импулсни и цифрови схеми; те се използват за реализиране на широко използвани TTL транзисторно-транзисторни логически схеми. Най-широко използваният ключ е с общ емитер (фиг. 5.1), при който товарът R K е свързан към колекторната верига на транзистора.

Фигура 5.1 - Схема на транзисторния превключвател

В режим на превключване транзисторът е в две основни състояния.

1 Състояние (режим) на изключване (ключ отворен). В този случай през транзистора протича минимален ток I K = I KO » 0. За да бъде транзисторът в състояние на прекъсване, е необходимо обратно изместване на емитерния преход на транзистора, т.е. за транзистор тип n-p-nизпълняват условието U BE< 0. Это достигается либо при U ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е СМ, которое обеспечит U Б < 0 при U ВХ = 0.

Загубената мощност на транзисторния превключвател в режим на изключване P K = U K I K е много малка, точно както е малък токът.

2 Състояние на насищане (режим) (ключ затворен). В този режим и двата кръстовища на транзистора са предубедени, т.е. Електрическото съпротивление на веригата колектор-емитер е много малко (близо до нула). Токът през транзистора в режим на насищане се определя от резистора R.K:

I KN = (E K - U KN)/R K » E K / R K, (5.1)

тъй като U КН » 0.

Режимът на насищане се постига при

I B = I BN = I KN / K I = I KN / h 21E. (5.2)

За надеждно насищане на транзистора е необходимо условието (5.2) да бъде изпълнено при минимална стойностстатично усилване h 21E = h 21E min за транзистори от този тип. В този случай входното напрежение трябва да отговаря на условието

U VX / R 1 - E SM / R 2 ³ I BN g = gI KN / h 21Emin (5.3)

където g е степента на насищане (g = 1,2...2).

Както в режим на изключване, в режим на насищане мощността, която се губи на транзисторния ключ P K = U K I K е много малка, тъй като напрежението U KEN е ниско. Напрежението U KEN е дадено в справочници. За създаване електронни ключоветрябва да изберете транзистори с малък U KEN<< Е К.

Ключови елементи се използват и в импулсни регулатори на напрежение с висока ефективност. Средното напрежение на товара може да се регулира чрез промяна на параметрите на импулса. Най-разпространени са методът на широчинно-импулсния контрол, при който амплитудата и периодът на повторение на импулсите са постоянни, но продължителността на импулса и паузата се променят, както и честотно-импулсният метод, при който амплитудата и продължителността на импулса се променят. импулсът е постоянен, но периодът на повторение на импулса се променя.

Превключващите регулатори се използват широко като регулатори на напрежение и стабилизатори, използвани за захранване на възбуждащите намотки на електрически машини, двигатели с постоянен ток, нагревателни елементи и други устройства и процеси, които могат да се захранват от импулсно напрежение.

Превключващите регулатори се правят с помощта на тиристори или транзистори.

Транзисторният импулсен регулатор на напрежението съдържа импулсен генератор, чиито параметри могат да се регулират ръчно или автоматично, а на изхода на генератора се включва транзистор, работещ в ключов режим.

Отношението на периода на повторение на импулса T към продължителността на импулса t And се нарича работен цикъл Q И = Т/t И. Реципрочната стойност на работния цикъл се нарича работен цикъл a = 1/Q И = t И /Т.

Средно напрежение на натоварване

U H.CP = aE, (5.4)

където E е захранващото напрежение на изходния транзистор и последователно свързания товар.

RMS напрежение

U N..D = ÖaE. (5,5)

За резистивен товар ефективната стойност на напрежението е от съществено значение. За товари като DC двигатели и товари, работещи с изглаждащи филтри, средната стойност на напрежението е важна.

Ако товарът е индуктивен по природа, тогава той трябва да бъде шунтиран с диод, свързан в обратна посока. Диодът предпазва изходния транзистор от пренапрежения, които възникват в индуктивността по време на рязък спад на тока в момента на изключване на транзистора. В този случай токът в товара става непрекъснат, протичащ или от източника на захранване E, когато превключвателят е затворен, или през шунтиращия диод, когато превключвателят е отворен, поради енергията, съхранена в индуктивността.

При идеален превключвател напрежението върху товара има формата на правоъгълни импулси, а токът пулсира, променяйки се експоненциално с времева константа t = L N /R N.

5.2 Описание на лабораторната обстановка

Лабораторната настройка включва:

Транзистор KT808GM;

Комплект резистори;

Регулируеми източници на напрежение;

Импулсен регулатор на напрежение с широчинно-импулсна модулация;

Волтметри и милиамперметри;

Електронен осцилоскоп.

Импулсни регулатори на напрежението

DC-DC преобразуватели

DC-DC преобразувателите включват превключващи регулатори на напрежение и преобразуватели на ширина на импулса.

Превключващите регулатори на напрежение се използват за регулиране на постоянно напрежение. В сравнение с други методи за управление те осигуряват по-добри енергийни характеристики и имат по-малко тегло и размери.

Принципът на импулсно регулиране е, че източник на постоянен ток периодично се свързва към товара при определена честота. Продължителност на интервала на свързване t uза един период Tопределя напрежението на товара. Товарът (ако е активен) се прави индуктивен с помощта на дросел Л. Параметрите на веригата са избрани по такъв начин, че времеконстантата на веригата на натоварване значително надвишава текущия период на превключване. В същото време се осигурява непрекъснат поток от ток с допустими пулсации във веригата на натоварване.

Диаграмата на импулсен регулатор от понижаващ тип е показана на фиг. 3.1 (а), времевите диаграми на работата на тази схема са на фиг. 3.1(b).

Когато транзисторът е включен VTтокът на индуктора нараства почти линейно от Аз съм впреди Imax. Напрежението върху индуктора е равно на:

и под товар

при условие че .

Когато транзисторът е изключен, токът на индуктора намалява от Imaxпреди Аз съм в, докато напрежението на индуктора осигурява стойността на напрежението при товара:

().

.

Следователно, чрез промяна на работния цикъл на управляващите импулси, е възможно да се регулира напрежението върху товара вътре 0…E P.

Като се вземат предвид паданията на напрежението на транзистора и диода, действителното максимално напрежение е (0,9 … 0,95)E P.

Ако товарът е индуктивен (например DC двигател), тогава необходимата стойност на пулсациите на тока се постига чрез избор на честотата на превключване на транзистора VT. Абсолютната стойност е:

,

а максималната стойност се достига при KZ = 0,5. Като се има предвид това, необходимата честота на превключване за осигуряване на необходимия коефициент на пулсации на тока е:

.

Когато товарното съпротивление е активно, към веригата е свързан дросел с индуктивност Л, което определя текущата пулсация в товара. За да се намали индуктивността на индуктора, кондензаторът е свързан паралелно с товара. За да се осигури непрекъснат характер на тока на индуктора, стойността трябва да отговаря на условието:

Ако има кондензатор, променливият компонент на тока на индуктора (с триъгълна форма) се затваря през кондензатора. Спадът на напрежението в кондензатора, причинен от първия хармоничен ток, определя пулсациите на напрежението в товара:

За триъгълна форма на тока амплитудата на първия хармоник е максимална при KZ = 0,5и възлиза на (според разширение в ред на Фурие):

.

следователно

;

При използване на мощни полеви транзистори MOSFET и IGBT като превключващ елемент честотата на превключване може да бъде десетки до стотици килохерци.

При използване на тиристори честотата на превключване не надвишава няколко килохерца. Диаграмата на импулсен регулатор на базата на отключен тиристор с принудително превключване е показана на фиг. 3.2.

За изключване на главния тиристор VS1използва се спомагателен тиристор VS2и превключващ кондензатор СЪС. Предварителен кондензатор СЪСзарежда се чрез верига VS2 – R – Lндо захранващо напрежение. След включване VS1кондензаторът се презарежда във веригата VS1 – VD1 – Lк – Си процесът на преход е осцилаторен по природа. Наличие на диод VD1води до факта, че само първият положителен полупериод на тока на кондензатора протича във веригата, след което напрежението в кондензатора не се променя. За изключване на тиристора VS1тиристорът се включва VS2и кондензатор C, разреден през веригата VS2, VS1изключва, като прилага напрежение в обратна посока, тиристора VS1. В този случай напрежението на товара ще се увеличи рязко до стойността E+Uc. Токът на натоварване остава непроменен по време на интервала на превключване, така че напрежението на кондензатора се променя по линеен закон. Когато кондензаторът СЪСще се разреди до нула, на анода на тиристора VS1директното напрежение се увеличава отново със скорост . За надеждно заключване на тиристора VS1Времето за разреждане на кондензатора трябва да бъде по-голямо от времето за изключване на тиристора.

След това напрежението на натоварването продължава да намалява линейно, докато кондензаторът се презареди напълно СЪСчрез тиристор VS2. Когато тиристорният ток VS2намалява до нула, той се изключва. Токът на натоварване се затваря през диодната верига VD 0.

Наличието на „скокове“ на напрежението при товара изисква избор на полупроводникови устройства с двойно захранващо напрежение. В допълнение, обхватът на регулиране на напрежението е намален, тъй като при ниски работни цикли тези „шипове“ не позволяват напрежението да бъде намалено под определено ниво.

В схемата на превключващия регулатор с меко превключване, основният тиристор VS1шунтиран в обратна посока от диод VD2(фиг. 3.3).

Процес на презареждане на кондензатора СЪСсе случва по същия начин, както в предишната диаграма. След включване на тиристора VS2във верига C – Lк – VS2 – VS1 – CВъзниква колебателен преходен процес на презареждане на кондензатора. Когато моментната стойност на тока на разреждане на кондензатора е равна на моментния ток на натоварване, тиристорът VS1изключва и след това разликата между токовете на кондензатора и натоварването се затваря през диода VD2. Към главния тиристор VS1приложено обратно напрежение, равно на спада на напрежението в права посока върху диода VD2. Ток през VD2трябва да тече за време, достатъчно за изключване на главния тиристор VS1. Когато токът на кондензатора стане по-малък от тока на натоварване, кондензаторът се зарежда допълнително от тока на натоварване и напрежението в товара намалява според линейния закон; в този интервал разликата в тока на товара и кондензатора се затваря през диод VD 0. Моментната стойност на напрежението при товара не надвишава стойността д.

Свързването на обратен диод паралелно с главния тиристор ви позволява да прехвърлите мощността на товара към източника на захранване. Този режим е възможен, когато DC моторът превключи на генераторен режим (режим на динамично спиране). В същото време, поради ниското обратно напрежение, приложено към главния тиристор, времето за изключване на тиристора се увеличава.

Верига на импулсен регулатор, който ви позволява да регулирате напрежението на товара от Е Пи по-горе, показано на фиг. 3.4.

Напрежението при товара се увеличава поради енергията на индуктора, свързан последователно към веригата на товара. Когато транзисторът е включен VTиндукторът е свързан към източник на постоянно напрежение, токът на индуктора нараства линейно от Аз съм впреди Imax. Напрежението в индуктора е почти равно Е П.

Затворен диод ще раздели веригата на две секции. Предишно зареден кондензатор СЪСразряди към товара, осигуряващи непрекъснатост на товарния ток.

Когато транзисторът е затворен, токът на индуктора се затваря през отворения диод и намалява от Imaxпреди Аз съм в. Напрежението на индуктора променя полярността и е свързано последователно с товара в съответствие с източника на захранване:

, (),

Където .

От равенството на нула на средната стойност на напрежението на индуктора следва:

Контролната характеристика (фиг. 3.5) на импулсен регулатор на усилване е нелинейна и нейният тип зависи от съотношението на съпротивленията на елементите на веригата (транзистор, диод, индуктор) и съпротивлението на натоварване. С увеличаването на това съотношение максималното напрежение намалява и е възможна стабилна работа на стабилизатора до определена стойност на работния цикъл на управляващите импулси.

Средната стойност на тока на диода е равна на тока на натоварване:

Средната стойност на тока на индуктора и, следователно, източникът на постоянно напрежение е равна на:

.

Средната стойност на тока на транзистора е:

.

Всички полупроводникови устройства трябва да бъдат избрани за напрежение не по-малко от максималното напрежение на натоварване.

Превключващите регулатори за двигатели с постоянен ток, в допълнение към регулирането на напрежението, подавано към двигателя, трябва също да изпълняват функциите на обръщане (промяна на полярността на изходното напрежение) и динамично спиране (връщане на енергия към източника на постоянно напрежение, когато двигателят превключи към генератор режим). Тези функции се изпълняват с помощта на DC-DC преобразуватели с контрол на ширината на импулса.

Преобразувателят е мостова схема с напълно управлявани ключове, които са шунтирани с диоди за свободен ход (фиг. 3.6).

Диодите със свободен ход се използват за връщане на енергия към източника, така че ако източникът на постоянно напрежение не провежда двупосочно (например токоизправител), тогава изходът на източника трябва да бъде прескочен с кондензатор СЪСсъответния контейнер.

Основните параметри на конвертора се определят от алгоритъма за управление на ключовете. Има три начина за управление на ключове:

Симетричен;

Асиметричен;

Редувайте се.

При симетрично управление ключовете се превключват по двойки в противофаза. При включване на ключовете К1И К4напрежението на двигателя е Е Пи има положителна полярност; когато е включен К2И К3Напрежението на двигателя променя полярността, оставайки същата по величина. Средното напрежение на товара се определя, като се вземат предвид напреженията на двете полярности (фиг. 3.7 (а)).

Стойността на напрежението се определя от работния цикъл на управляващите импулси: за една двойка ключове ( К1И К4) е равно К З, а за другия ( К2И К3) – 1-K Z:

.

В обхвата на промените К Зот 0 до 0,5 напрежението на товара варира от - Е Пдо 0, а в диапазона от 0,5 до 1 – от 0 до Е П.

Формата на тока на натоварване има същия характер като при импулсните регулатори: с включени ключове К1И К4товарният ток нараства линейно от Аз съм впреди Imax, Кога К1И К4са затворени, тогава токът на натоварване, определен от индуктивността на товара, през диодите VD2И VD3връща енергията, съхранена в индуктивността, към източника и намалява от Imaxпреди Аз съм в.

Когато товарът (DC двигател) работи в генераторен режим, когато ед.с. котви Е ИПовече ▼ Е П, токът на натоварване променя посоката си дори когато ключовете са включени К1И К4ток на натоварване през диоди VD1И VD4връща енергия към източника, докато токът намалява от - Imaxпреди - Аз съм в, и с включени ключове К2И К3токът на натоварване се увеличава от - Аз съм впреди - Imax, съхранявайки енергия в индуктивността на товара. Когато работният цикъл на управляващите импулси се промени, количеството енергия, върнато към източника, се променя.

Симетричният метод на управление се характеризира с повишени пулсации на тока на натоварване поради промени в напрежението на натоварване от - Е Пдо + Е Пи непропорционална зависимост на напрежението на товара от работния цикъл.

С асиметричен метод за управление на положителния поляритет на напрежението при товара, ключовете К1И К2управляван в противофаза, ключ К4винаги отворени и К3- окончателно затворен. За отрицателна полярност на напрежението, обратно: К3И К4контролиран в противофаза, К2– отворен, К1– затворен. След това разглеждаме работата на преобразувателя с положителна полярност на напрежението при натоварване (Фигура 3.7 (b)).

Когато ключът K1 е отворен, токът на натоварване се увеличава от Аз съм впреди Imax, напрежението на товара е + Е П. Когато K1 се затвори, товарният ток се затваря К4И VD2, намалявайки от Imaxпреди Аз съм в, докато напрежението на товара е практически нула. Коефициентът на запълване на управляващите импулси може да варира от 0 до 1, докато напрежението на натоварването се променя от 0 до + Е П:

Когато товарът работи в генераторен режим с К1ток на натоварване през диоди VD1И VD4връща енергия към източника, а когато е отворен К2товарният ток е затворен К2И VD4, съхранявайки енергия в индуктивността на товара.

Ако граничната честота на превключване на превключвателите не е достатъчно висока, алтернативният метод за управление на клавишите ви позволява да удвоите честотата на текущите вълни в товара. Ако не е необходимо да се прилага режим на връщане на енергия към източника, тогава управляващото напрежение се прилага само към превключвателите на един диагонал: за положително напрежение на К1И К4, за отрицателни – по К2И К3.

Формата на управляващото напрежение е показана на фиг. 3.8(а).

Продължителността на импулса варира от до , а паузите на управляващото напрежение се изместват с половин период. Напрежението на товара е равно на захранващото напрежение, когато и двата ключа са отворени, и равно на нула, когато един от ключовете е затворен. Товарният ток се затваря чрез друг отворен ключ и съответния обратен диод. Тази ситуация се случва два пъти по време на периода на управляващото напрежение, така че честотата на вълните на напрежението и тока в товара е два пъти по-висока. Промяната в продължителността на управляващите импулси от до съответства на промяна в работния цикъл на импулсите на напрежение при натоварване от 0 до 1.

Ако управлявате ключ K2 в противофаза с ключ K1 и ключ K3 в антифаза с ключ K4, тогава преобразувателят може да работи в режим на връщане на енергия към източника, когато DC моторът работи в режим на генератор (фиг. 3.8 (b) ).

Когато работите с много различни технологии, въпросът често е: как да управлявате наличната мощност? Какво да направите, ако трябва да се намали или повдигне? Отговорът на тези въпроси е ШИМ регулатор. Какво е той? Къде се използва? И как сами да сглобите такова устройство?

Какво е модулация на ширината на импулса?

Без да изясним значението на този термин, няма смисъл да продължаваме. И така, широчинно-импулсната модулация е процес на контролиране на мощността, която се подава към товара, осъществяван чрез модифициране на работния цикъл на импулсите, което се извършва при постоянна честота. Има няколко вида модулация на ширината на импулса:

1. Аналогов.

2. Цифрови.

3. Двоичен (двустепенен).

4. Троица (три нива).

Какво е PWM регулатор?

Сега, когато знаем какво е модулация на ширината на импулса, можем да говорим за основната тема на статията. PWM регулатор се използва за регулиране на захранващото напрежение и за предотвратяване на мощни инерционни натоварвания в автомобили и мотоциклети. Това може да звучи сложно и е най-добре да се обясни с пример. Да речем, че трябва да накарате лампите за вътрешно осветление да променят яркостта си не веднага, а постепенно. Същото важи и за страничните светлини, автомобилните фарове или вентилаторите. Това желание може да се реализира чрез инсталиране на транзисторен регулатор на напрежението (параметричен или компенсационен). Но с голям ток той ще генерира изключително висока мощност и ще изисква инсталирането на допълнителни големи радиатори или допълнение под формата на система за принудително охлаждане с помощта на малък вентилатор, изваден от компютърното устройство. Както можете да видите, този път води до много последствия, които ще трябва да бъдат преодолени.

Истинското спасение от тази ситуация беше PWM регулаторът, който работи на мощни транзистори с полев ефект. Те могат да превключват високи токове (до 160 ампера) само с 12-15V напрежение на вратата. Трябва да се отбележи, че съпротивлението на отворен транзистор е доста ниско и благодарение на това нивото на разсейване на мощността може да бъде значително намалено. За да създадете свой собствен PWM регулатор, ще ви трябва управляваща верига, която може да осигури разлика в напрежението между източника и портата в диапазона от 12-15V. Ако това не може да се постигне, съпротивлението на канала ще се увеличи значително и разсейването на мощността ще се увеличи значително. И това от своя страна може да доведе до прегряване и повреда на транзистора.

Произвежда се цял набор от микросхеми за PWM регулатори, които могат да издържат на увеличаване на входното напрежение до ниво от 25-30V, въпреки факта, че захранването ще бъде само 7-14V. Това ще позволи изходният транзистор да бъде включен във веригата заедно с общия дрейн. Това от своя страна е необходимо за свързване на товар с общ минус. Примерите включват следните проби: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Повечето товари не черпят повече от 10 ампера ток, така че не могат да причинят спадове на напрежението. И в резултат на това можете да използвате прости схеми без модификация под формата на допълнителна единица, която ще увеличи напрежението. И точно тези проби от PWM регулатори ще бъдат обсъдени в статията. Те могат да бъдат изградени на базата на асиметричен или резервен мултивибратор. Струва си да се говори за PWM регулатора на скоростта на двигателя. Повече за това по-късно.

Схема No1

Тази схема на PWM контролер е сглобена с помощта на инвертори на CMOS чип. Това е правоъгълен генератор на импулси, който работи с 2 логически елемента. Благодарение на диодите, времевата константа на разреждане и заряд на кондензатора за настройка на честотата се променя тук отделно. Това ви позволява да промените работния цикъл на изходните импулси и в резултат на това стойността на ефективното напрежение, което присъства при товара. В тази схема е възможно да се използват всякакви инвертиращи CMOS елементи, както и NOR и AND, като например K176PU2, K561LN1, K561LA7, K561LE5. Можете да използвате други типове, но преди това ще трябва да помислите добре как правилно да групирате техните входове, така че да могат да изпълняват зададената им функционалност. Предимствата на схемата са достъпността и простотата на елементите. Недостатъците са трудността (почти невъзможността) за модификация и несъвършенството по отношение на промяната на обхвата на изходното напрежение.

Схема No2

Той има по-добри характеристики от първия образец, но е по-труден за изпълнение. Може да регулира ефективното напрежение на товара в диапазона 0-12V, до което се променя от първоначална стойност 8-12V. Максималният ток зависи от вида на полевия транзистор и може да достигне значителни стойности. Като се има предвид, че изходното напрежение е пропорционално на управляващия вход, тази схема може да се използва като част от система за управление (за поддържане на нивото на температурата).

Причини за разпространението

Какво привлича автомобилните ентусиасти към PWM контролера? Трябва да се отбележи, че има желание за повишаване на ефективността при изграждането на вторични за електронно оборудване. Благодарение на това свойство тази технология може да се намери и в производството на компютърни монитори, дисплеи в телефони, лаптопи, таблети и подобно оборудване, а не само в автомобили. Трябва също да се отбележи, че тази технология е значително евтина, когато се използва. Освен това, ако решите да не купувате, а сами да сглобите PWM контролер, можете да спестите пари, когато подобрите собствената си кола.

Заключение

Е, вече знаете какво е PWM регулатор на мощността, как работи и дори можете сами да сглобите подобни устройства. Ето защо, ако искате да експериментирате с възможностите на вашия автомобил, има само едно нещо, което трябва да кажете за това - направете го. Освен това можете не само да използвате представените тук диаграми, но и значително да ги промените, ако имате съответните знания и опит. Но дори ако всичко не се получи от първия път, можете да спечелите много ценно нещо - опит. Кой знае къде може да ви бъде полезен следващия път и колко важно ще бъде присъствието му.

Схема на електрическа верига на много прост регулируем регулатор на напрежението с висока мощност и висока ефективност

Добър ден, скъпи радиолюбители!
Добре дошли в сайта ““

Днес ние сме с вас Нека разгледаме веригата на мощен импулсен регулируем стабилизатор на напрежението. Тази схема може да се използва както за инсталиране в радиолюбителски устройства с фиксирано изходно напрежение, така и в захранвания с регулируемо изходно напрежение. Въпреки че веригата е много проста, тя има доста добри характеристики и може да бъде повторена от радиолюбители с всякакво базово обучение.

Основата на този стабилизатор е специализирана микросхема LM-2596T-ADJ, който е предназначен именно за изграждане на импулсни регулатори на регулируемо напрежение. Микросхемата има вградена защита от изходен ток и термична защита. Освен това веригата съдържа диод D1 – диод на Шотки тип 1N5822И дроселфабрично направен (по принцип можете да го направите сами) индуктивност 120 микрохенри.Кондензатори C1 и C2 - за работно напрежение най-малко 50 волта, резистор R1 с мощност 0,25 вата.

За да получите регулируемо изходно напрежение, е необходимо да свържете променлив резистор към щифтове 1 и 2 (с възможно най-късата дължина на свързващите проводници). Ако е необходимо да се получи фиксирано напрежение на изхода, тогава вместо променлив резистор се инсталира постоянен, чиято стойност се избира експериментално.

В допълнение, серията LM-2596 има фиксирани стабилизатори за напрежение от 3,3 V, 5 V и 12 V, чиято схема на свързване е още по-проста (може да се види в листа с данни).

Спецификации:

Както можете да видите, характеристиките за използване на тази схема в захранване са доста прилични (според листа с данни изходното напрежение се регулира в рамките на 1,2-37 волта). Ефективността на стабилизатора при входно напрежение 12 волта, изходно напрежение 3 волта и ток на натоварване 3 ампера е 73%. Когато правите този стабилизатор, не трябва да забравяме, че колкото по-високо е входното напрежение и колкото по-ниско е изходното напрежение, допустимият ток на натоварване ще намалее, така че този стабилизатор трябва да се монтира на радиатор с площ най-малко 100 кв.см. . Ако веригата ще работи при ниски токове на натоварване, тогава не е необходимо да инсталирате радиатор.

По-долу са външният вид на основните части, тяхната приблизителна цена в онлайн магазините и местоположението на частите на дъската.

Въз основа на разположението на частите не е трудно да направите сами печатна платка.

Тази схема може да работи в режим на стабилизиране на изходния ток, което позволява да се използва за зареждане на батерии, захранване на мощен светодиод или група от мощни светодиоди и т.н.

За да включите веригата в режим на стабилизиране на тока, е необходимо да инсталирате резистор паралелно на резистор R1, чиято стойност се определя по формулата: R = 1,23 / I

Цената на тази схема е приблизително 300 рубли, което е поне 100 рубли по-евтино от закупуването на готов продукт.