Ответы по Силовым полупроводниковым устройствам автоматики - файл 8.9.10.doc

приобрести
Ответы по Силовым полупроводниковым устройствам автоматики
скачать (4067 kb.)
Доступные файлы (83):
n1.jpg661kb.27.05.2011 03:27скачать
n2.jpg512kb.27.05.2011 03:27скачать
n3.doc183kb.02.06.2011 14:58скачать
n4.bmp
n5.bmp
n6.bmp
n7.db
n8.bmp
11.12.13.doc153kb.04.05.2010 15:18скачать
n10.jpg20kb.23.04.2010 21:04скачать
n11.err
n12.bak
n13.dwg
n14.dwg
n15.doc91kb.04.05.2010 09:26скачать
~WRL3225.tmp
n18.doc82kb.12.04.2010 19:12скачать
n19.doc164kb.04.05.2010 16:48скачать
n20.bmp
n21.bmp
n22.bmp
n23.bmp
n24.db
n25.doc113kb.04.05.2010 16:48скачать
n26.bmp
n27.bmp
n28.bmp
n29.doc93kb.01.04.2010 18:48скачать
n30.doc231kb.16.04.2010 14:25скачать
n31.doc169kb.19.04.2010 17:13скачать
n32.doc98kb.04.05.2010 16:51скачать
n33.doc52kb.19.04.2010 17:18скачать
22.1.bmp
n35.doc78kb.05.04.2010 17:20скачать
n36.gif13kb.30.03.2010 22:17скачать
n37.gif6kb.30.03.2010 22:17скачать
n38.gif57kb.30.03.2010 22:34скачать
n39.db
n40.doc95kb.22.04.2010 20:50скачать
n41.doc466kb.21.04.2010 19:31скачать
n42.doc142kb.05.04.2010 19:47скачать
n43.doc168kb.28.04.2010 23:06скачать
n44.doc73kb.04.05.2010 09:32скачать
n45.doc143kb.30.04.2010 19:15скачать
n46.doc154kb.31.03.2010 21:24скачать
n47.doc111kb.19.04.2010 17:14скачать
3.1.bmp
n49.bmp
n50.db
n51.doc76kb.04.05.2010 16:34скачать
n52.doc230kb.21.03.2010 18:53скачать
4.1..bmp
n54.db
n55.doc62kb.24.03.2010 21:09скачать
n56.bmp
n57.bmp
n58.bmp
n59.doc201kb.21.03.2010 11:27скачать
n60.bak
n61.dwg
n62.dxf
n63.sch
n64.bak
n65.dwg
n66.bak
n67.dwg
n68.bmp
n69.bmp
n70.bmp
n71.bmp
n72.bmp
n73.bmp
n74.bmp
n75.bmp
n76.doc200kb.04.05.2010 14:02скачать
n77.bmp
n78.bmp
n79.bmp
7.2.bmp
7.3.bmp
n82.db
n83.bmp
8.9.10.doc545kb.22.04.2010 22:30скачать

8.9.10.doc

Лекція №8

Принцип роботи та електромагнітні процеси в однотактному перетворювачі постійної напруги понижуючого типу (ІППН – 1), підвищуючого типу (ІППН – 2) та полярно-інвертуючого типу (ІППН – 3), зовнішні та регулювальні характеристики.

1. Принцип дії і характеристики імпульсних перетворювачів постійної напруги:
Принцип дії імпульсних перетворювачів постійної напруги (ІППН) складається в періодичному підключенні та відключенні (комутації) кола навантаження до первинного джерела електроенергії з напругою . Здійснюється це за допомогою електронних силових ключів – транзисторів, діодів, тиристорів. Середні напруга та струм навантаження залежать від проміжків часу підключення джерела напруги до накопичувального елемента схеми ІППН. Частота комутації, або частота перетворення , знаходиться в межах від одиниць до десятків кГц (тиристори та біполярні транзистори), або від сотень кГц до одиниць МГц (МДП-транзистори). Період перетворення складається з відрізків часу, коли силовий ключ замкнено (енергія від джерела надходить до схеми) та часу розімкненого стану цього ключа, тобто . Час замкненого стану зручно задавати за допомогою відносної тривалості імпульсу : . За допомогою зміни відносної тривалості можна регулювати або стабілізувати вихідну напругу ІППН. Такий спосіб регулювання напруги при постійній частоті проходження імпульсів називається широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Імпульси напруги в схемі ІППН мають, головним чином, прямокутну форму, а імпульси струму – трикутну.

Основні переваги ІППН у порівнянні зі стабілізаторами безупинної дії – більший коефіцієнт корисної дії (ККД), менші маса та габарити. До недоліків можна віднести наявність пульсацій та додаткових перешкод, що зумовлено імпульсним регулюванням, гірші динамічні характеристики та відносна складність. Однак у багатьох випадках застосування ІППН є найбільш раціональним технічним рішенням.

Структурна схема ІППН показана на рис. 1.1. До неї входять: імпульсний регулятор ІР, через який енергія передається від джерела Д до навантаження Н; дільник напруги ДН; датчик струму ДС; схема струмового захисту СЗ; підсилювач неузгодженості ПН; широтно-імпульсний модулятор ШІМ; формуючий каскад ФК.



Рис.1.1

ІР містить силові ключі Кл та фільтруючі реактивні елементи Ф. ШІМ складається з генератора трикутної напруги Г та компаратора К. Електричні кола, що містять елементи ІР і з'єднують джерело Д з навантаженням Н, утворюють силову частину СЧ ІППН. Схема управління СУ формує сигнал управління силовими ключами таким чином, щоб стабілізувати вихідну напругу. Для цього відстежується фактичне значення та порівнюється з задавальним сигналом . Окрім цього СУ виконує функцію струмового захисту. СУ містить ПН, ДН, ДС, СЗ, ШІМ і ФК.

Сигнал на виході ДН, що пропорційний напрузі на навантаженні, порівнюється із сигналом . Різниця між і підсилюється в ПН та подається на ШІМ. На виході ШІМ утворюються прямокутні імпульси, ширина котрих пропорційна напрузі регулювання . Модульовані за шириною імпульси надходять на ФК, який відповідно до них створює необхідний сигнал управління силовими ключами. Силові ключі Кл періодично підключають з частотою перетворення джерело Д до елементів Ф, відбираючи енергію від нього визначеними “порціями”. Завдяки згладжувальної дії Ф до навантаження Н енергія надходить рівномірно. Якщо струм силового ключа перевищує визначене значення, ТЗ зменшує напругу .

Три основні силові схеми ІППН, у котрих використовується один керований ключ – транзистор, показані на рис. 1.2…. рис. 1.4.



рис. 1.2.



Рис.1.3.



Рис.1.4.

Класифікуються вони як понижуючий, підвищуючий та полярно-інвертуючий ІППН. У понижуючому ІППН вихідна напруга завжди менше за вхідну. Коли транзистор VT відкрито черговим імпульсом струму бази , тривалістю (рис.1.5,а), енергія від джерела надходить до навантаження і накопичується в дроселі та конденсаторі фільтра. Спадання напруги на транзисторі при цьому невелике, порядку 1В, та відповідає напрузі насичення транзистора. До діода прикладено зворотню напругу , що близька за величиною до вхідної. Струм дроселя наростає за експоненціальним законом від мінімального до максимального значень.





а

б

Рис. 1.5

Таким же чином міняється й струм транзистора . По закінченні відкриваючого імпульсу транзистор закривається, відключаючи дросель від джерела вхідної напруги. Струм через нього спадає. Як тільки струм дроселя починає зменшуватися, напругою його самоіндукції відкривається діод . В цей час дросель виявляється підключеним паралельно навантаженню і фільтруючої ємності. Контур струму замикається скрізь діод. Струм дроселя зменшується за експоненциальним законом від максимального до мінімального значень. Протягом даного проміжку часу струм діода є струмом дроселя. Далі, після закінчення паузи , транзистор знову відкривається і процеси повторюються. Струм дроселя при цьому має постійну () та змінну складові. Практично, уся змінна складова цього струму проходить через конденсатор (струм на рис. 1.5,а). Постійна складова замикається крізь навантаження. Дросель у даній схемі увесь період фільтрує вихідну напругу. Тому понижуюча схема забезпечує принципово менші пульсації вихідної напруги в порівнянні з підвищуючою та інвертуючою. Схема, у якій дросель під час накопичення енергії підключається паралельно джерелу , може бути як підвищуючою, так і полярно-інвертуючою, в залежності від підключення навантаження і конденсатора фільтра (див. рис. 1.3,1.4). Вихідна напруга підвищуючої схеми, як правило, більше за вхідну. У полярно-інвертуючому ІППН вихідна напруга в залежності від навантаження і відносної тривалості імпульсу може бути за величиною як більше, так і менше за вхідну. Часові діаграми для обох схем приведено на рис. 1.5,б. При відкриванні транзистора імпульсом струму дросель підключається до напруги . Діод закрито зворотньою напругою. Струм навантаження протікає крізь накопичувальний конденсатор . Струм дроселя збільшується за експоненціальним законом і енергія від первинного джерела надходить до дроселя. Коли транзистор закривається і струм через нього різко знижується, напругою самоіндукції дроселя відкривається діод . Енергія, що накопичена в дроселі, передається до накопичувального конденсатора та навантаження. У підвищуючому ІППН при закритому транзисторі і відкритому діоді дросель підключається до навантаження послідовно з джерелом . Тому енергія від джерела відбирається увесь час (при безперервному струмі дроселя). Пульсації вхідного струму даної схеми найменші. Безперервний струм дроселя має місце, коли при закритому транзисторі протягом часу струм не встигає знизитися до нуля, як показано на рис. 1.5,б. При невеликій індуктивності дроселя або малому струмі навантаження струм стає переривчастим. ІППН при цьому працездатний, однак такий режим небажаний через підвищені пульсації вихідної напруги. При однакових струмах навантаження та інших рівних умовах вихідна напруга підвищуючої схеми більше за вихідну напругу інвертуючої схеми на величину . У фільтрації вихідної напруги в обох схемах бере участь тільки конденсатор , через який проходять великі імпульси струму, що рівні струму навантаження (рис.1.5,б). Пульсації вихідної напруги через це більше, ніж у понижуючої схемі.

Статичні характеристики ІППН для безперервних струмів дроселя задаються у вигляді

, (1.1)

де - відносна тривалість імпульсу; - відносна величина опору втрат; ; - динамічний опір відкритих напівпровідникових ключів, - активний опір у колі дроселя. Функція (1.1) для трьох типів ІППН має вигляд:

На рис. 1.6,а,б,в приведено регулювальні характеристики трьох типів перетворювачів (, , ) для двох значень втрат (безперервна лінія) і (пунктирна лінія).





а

б



в

Рис. 1.6

Регулювальна характеристика понижуючого ІППН лінійна і слабко залежить від втрат у колі. У підвищуючого та інвертуючого ІППН спостерігається міцна залежність вихідної напруги від відносних втрат, особливо при максимумі. Якщо втрати спрямувати до нуля, максимальна напруга буде прагнути до нескінченності. Характеристики підвищуючого та інвертуючого ІППН нелінійні. Існує межа , до якої характеристики зростають. Тому для роботи використовується діапазон , тобто обмежується максимальне значення .

Прохідні характеристики лінійні. При заданих і визначаються коефіцієнтом передачі ІППН . Зовнішні характеристики можна одержати, якщо покласти та і змінювати опір навантаження .
2. Система управління імпульсним перетворювачем постійної напруги:
Принципова схема СУ ІППН з підключенням основних елементів силової частини показана на рис. 2.1.


рис. 2.1.

Транзисторна пара , є керованим ключем ІР (транзистор у схемах на рис. 1.2). Необхідний керуючий струм для нього формується двокаскадним імпульсним підсилювачем на транзисторі що входить до схеми ФК. Коли напруга на вході ФК (база ) низького рівня, транзистор закритий. Колекторний струм близький до нуля, тому закриті й силові транзистори , . Коли на вході ФК з’являється напруга високого рівня, відкривається транзистор струмом, який протікає крізь його базу від позитивного полюса живлення СУ з напругою крізь резистор . Резистори і потрібні для утворення позитивних імпульсів на виходах компараторів і . Це пов'язано з тим, що ці компаратори типу 521СА3 (LM111) або 554СА3 (LM311) мають так звані виходи з відкритим колектором. Діод потрібен для збільшення приблизно на 0,6 В потенціалу відкривання транзистора у схемі понижуючого ІППН. Завдяки цьому транзистор надійно запирається компаратором . В колі колектор-емітер , діод , резистор протікає струм бази . Тому транзистор також відкритий. Струм колектора надходить до бази транзистора і відкриває його.

а

б

в

Рис. 2.1

Таким чином, стосовно стану силового ключа , ФК є неінвертуючою ланкою. Низький рівень відповідає закритому стану ключа, високий – відкритому. Передбачається, що транзистори і досить швидкодіючі, щоб процеси їхнього вмикання і вимикання мали тривалість порядку десятих часток мікросекунди, що набагато менше часу вмикання і вимикання транзистора . Це буде дотримуватися за умовою вибору транзисторів з параметрами МГц, МГц.


Модульовані за шириною імпульси (рис. 2.2) створюються за допомогою компаратора, який порівнює трикутну напругу , що надходить на негативний вхід з напругою регулювання з виходу ПН, що прикладена до позитивного входу. Коли напруга більше за напругу , на виході компаратора має бути низький рівень .




Рис. 2.2

Коли напруга стає менше за , компаратор переключається на високий рівень . Напруга міняється порівняно повільно. Напруга , що прикладена до входу компаратора, викликає на його виході періодичну послідовність прямокутних імпульсів , ширина котрих залежить від рівня . Задавальний генератор Г побудовано на компараторі . Частота коливань генеруємої їм напруги задає частоту перетворення. До виходу компаратора з відкритим колектором підключено в якості навантаження резистор . Резистори , , утворюють коло позитивного зворотнього зв'язку, завдяки якому компаратор працює як тригер Шмітта. Елементи інерційного негативного зворотнього зв'язку і задають частоту коливань. Припустимо, що конденсатор виряджено і на виході компаратора високий рівень напруги, близький до напруги . Дільник, який складається з резисторів та , задає рівень постійної складової напруги на неінвертуючому вході компаратора. При він дорівнює . При високій напрузі на виході на неінвертуючому вході напруга трохи більше за . Конденсатор повільно заряджається струмом через резистори та . Як тільки напруга на конденсаторі перевищить напругу на неінвертуючому вході , компаратор різко переключається на низький рівень. Конденсатор почне повільно розряджатися через резистор . На неінвертуючому вході при переключенні компаратора напруга знизиться до рівня , трохи меншого за . При досягненні напругою на конденсаторі рівня , компаратор знову переключиться на високий рівень і далі процеси будуть періодично повторюватися. На виході компаратора при цьому буде напруга прямокутної форми, а на конденсаторі буде напруга, що близька до трикутної - . Її розмах дорівнює різниці порогів переключення тригера Шмітта , а середній рівень – половині напруги живлення. Величина резистора обирається такою, щоб ширина петлі гістерезиса тригера була приблизно , тобто ; , що і визначає розмах . Більше його значення приведе до додаткової нелінійності контуру регулювання через значну відмінність експонентної напруги від лінійно-трикутної форми. Менший розмах обумовить великі відхилення інтегруючого підсилювача за межі області регулювання при перехідних процесах і меншу точність роботи компаратора ШІМ .

Підсилювач неузгодженості ПН містить операційний підсилювач (ОП) , дільник зсуву (,), елементи паралельного зворотнього зв'язку (,,,) та обмежуючий дільник , . Резистори , та можна класифікувати також як дільник напруги ДН. Стабілітрон разом з резистором є джерелом опорної напруги . Резистором встановлюється задавальна напруга , що визначає необхідну вихідну напругу ІППН. необхідне для обмеження зміни . Конденсатор разом з резистором визначає постійну часу зростання задавальної напруги с.

ОП у даній схемі включення являє собою інвертуючу пропорційно-інтегруючу ланку. Необхідна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) створюється елементами , та . Дільник , обмежує максимальну напругу у відповідності з умовою . Поступаючий на вхід ПН сигнал з напругою визначає напругу дільника в точці з'єднання , , , що прикладена до інвертуючого входу ОП. До неінвертуючого входу прикладено напругу . Різниця між напругами дільника та заданної є сигнал неузгодженості, який підсилюється і подається у вигляді напруги регулювання на вхід компаратора ШІМ . Напруга зворотнього зв'язку – це напруга на навантаженні .

Стабілізація вихідної напруги відбувається таким чином. Коли за якимось причинами ця напруга перевищує встановлене значення, з'являється сигнал неузгодженості, котрий підсилюється в ПН і викликає зменшення . Відносна тривалість імпульсів на виході компаратора стає менше. На протязі меншого часу відкрито і силовий транзистор. Відповідно до регулювальних характеристик це викликає зменшення вихідної напруги до встановлених меж. Якщо ця напруга зменшиться нижче за встановлений рівень – картина зворотня; схема “прагне” підвищити напругу за рахунок збільшення .

Для захисту ІППН від можливих перевантажень та коротких замикань на виході СУ містить схему захисту відносно струму силового транзистора . Датчиком струму є резистор . Підсилювач датчика струму зібрано на парі ідентичних транзисторів , та транзисторі . Резистор і транзистор задають напругу зсуву транзистора , якого включено стосовно датчика струму за схемою з СБ. Таке включення і забезпечує високу термостабільність. Їхні вхідні характеристики при змінах температури змінюються згідно, тому колекторний струм слабко залежить від температури і визначається струмом колектора та різницею потенціалів на емітерах і . Транзистор відкритий та близький до насичення. Імпульси струму проходять через резистор і створюють на ньому імпульси напруги, які закривають транзистор . При цьому напруга на його колекторі починає підвищуватися. Коли імпульси струму досягають деякого визначеного значення, підвищується напруга на колекторі . Це викликає відкривання транзистора , який шунтує задавальне коло , , . Напруга зменшується, внаслідок чого зменшується і струм. Резистор орієнтовно вибирається таким, щоб при струмі спрацювування захисту напруга на ньому складала приблизно 26 мВ. Конденсатор призначено для згладжування викидів сигналу датчика струму, котрі обумовлені викидами струму силового транзистора при його відкриванні.

Слід зазначити, що запропонована принципова схема СУ є рекомендованою. Вона не може бути досконалою з усіх точок зору. Тому студенти можуть при вирішенні конкретної задачі проектування вносити деякі зміни та спрощення у СУ, які на їх погляд, можуть вдосконалити її роботу. Єдиною умовою при цьому є збереження основного принципу дії перетворювача, тобто типу силової схеми, кількості силових елементів.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации