НППН понижающего типа . Простейший способ непосредственного преобразования постоянного напряжения заключается в периодической коммутации коллекторного тока в цепи, подключенной к источнику постоянного напряжения (рис.6.3,а) с помощью ключевого элемента - силового транзистора VT 1. В мощных низкочастотных преобразователях данного типа коммутация тока нагрузки осуществляется с помощью тиристоров. Работа вентильных элементов в ключевом режиме позволяет обеспечить КПД такого преобразователя, близким к единице.
Для НППН выделяют два режима работы. Первый режим характеризуется тем, что к моменту очередного замыкания ключа (открывания мощного транзистора или тиристора) в дросселе протекал некоторый минимальной величины ток - i Lmin (рис.6.3,б). Этот режим получил название “режима непрерывного тока”. Он характеризуется также наименьшим внутренним сопротивлением преобразователя и поэтому является предпочтительным.
Рисунок 6.3 - Непосредственный преобразователь постоянного напряжения
понижающего типа:
а – электрическая схема; б, в,г – временные диаграммы токов
На интервале времени открытого состояния транзистора (t -t 0) коллекторный ток i 0 повторяет форму тока в дросселе, а в течение интервала времени t =t з, когда транзистор закрыт, ток i 0 равен нулю.
Второй режим носит название “режима прерывистого тока”. Он имеет место при сравнительно малых нагрузках (велико сопротивление резистора R н) преобразователя, когда ток в дросселе фильтра успевает уменьшиться до нулевого значения раньше, чем происходит очередное открывание мощного транзистора VT 1.
В дальнейшем будем рассматривать работу различных схем НППН в режиме непрерывных токов и периодическом замыкании-размыкании ключа с периодом следования импульсов T .
Изменяя с помощью системы управления соотношение между длительностями открытого t 0 и закрытого t 3 (рис.6.3,б) состояний транзистора в силовой схеме НППН, можно осуществить получение различных уровней среднего значения напряжения на нагрузке. В таком режиме использования данные преобразовательные устройства на практике часто называют импульсными регуляторами.
При замкнутом ключе (транзистор VT 1 открыт) на входе фильтра напряжение равно напряжению U п источника питания. Это напряжение формирует импульс напряжения на приемнике U н =U п, а длительность импульса t и равна времени открытого состояния транзистора (t 0 =t и).
При разомкнутом ключе (транзистор VT 1 заперт) напряжения на приемнике равно нулю. Поскольку импульсы следуют с периодом T , то интервал времени закрытого состояния транзистора равен t з =Т -t о.
Среднее значение напряжения на приемнике за период согласно (6.1) прямопропорционально коэффициенту заполнения к з.
.
Выходное напряжение ППН и есть среднее значение напряжения на нагрузке
U н =U ср =U п ×к з. (6.3)
Соответственно, коэффициент передачи ППН по напряжению для данной схемы имеет вид
(6.4)
И напряжение U н, и коэффициент передачи U н /U п прямопропорциональны относительной длительности импульсов.
Если бы в схеме не было ветви с блокирующим диодом VD 1, то при размыкании ключа (запирании транзистора VT 1) на дросселе наводилась бы значительная нерасчетная противо-ЭДС e L = - L ×di /dt , что могло либо привести к пробою изоляции обмотки дросселя, либо к электрической дуге в месте разрыва цепи (на ключе, т.е. на эмиттерно-коллекторном р -n переходе транзистора VT 1) и к выходу из строя либо дросселя, либо транзистора.
В схеме с диодом в начале процесса нарастания этой ЭДС появляется отрицательное напряжение на катоде диода, он открывается, что дает возможность дросселю разрядиться через сопротивление приемника и конденсатор фильтра. Ток дросселя в течение интервала t 0 проходит через источник, а в течение интервала t 3 - через диод VD 1 (рис.6.3,в,г).
Выражение (6.4) определяет собой регулировочную характеристику НППН, изображенного на рис. 6.3,а, в силовой цепи которого включены последовательно дроссель фильтра L и ключ - транзистор VT 1. Из (6.4) следует, что с увеличением к з коэффициент передачи НППН изменяется линейно (см. рис. 6.6) от нуля (при t 0 = 0) до единицы (при t 0 = T ). Рассмотренная выше схема позволяет получить напряжение на нагрузке, равное или меньшее напряжения питания, т.е. U н £ U п. Поэтому такой НППН иногда называют преобразователем понижающего типа.
Наряду с рассмотренным выше типом НППН с последовательным включением с приемником мощного транзистора и дросселя фильтра на практике применяются (хотя и существенно реже) также другие НППН понижающего типа, отличающиеся друг от друга конфигурацией силовых схем.
НППН повышающего типа . Вторым вариантом соединения элементов силовой цепи в ППН является схема с последовательным с приемником включением дросселя и параллельным включением ключа (рис. 6.4, а).
С момента размыкания ключа (закрытия транзистора VT 1) в интервале времени закрытого состояния транзистора t з начинается спад тока i L в дросселе, производная тока изменяет свой знак и в обмотке дросселя наводится противо-ЭДС e др =L ×di /dt , препятствующая спаду тока в дросселе и направленная по направлению тока. Уравновешивающее эту ЭДС напряжение на дросселе u др =-е др суммируется с напряжением источника питания и на эмиттер-коллекторном переходе транзистора VT 1 суммарное напряжение U э-к =U п +u др возрастает.
Диод VD 1 открывается и конденсатор С вновь начинает заряжаться (рис. 6.4,б). Напряжение U эк на закрытом транзисторе равно выходному напряжению U н преобразователя.
Рисунок 6.4 - Непосредственный преобразователь постоянного напряжения
повышающего типа:
а – схема; б – временные диаграммы токов и напряжений
Энергия, накопленная в дросселе, передается в конденсатор С и резистор R н через открывшийся диод VD 1. Ток в дросселе спадает, достигая в конце данного интервала своего минимального значения.
Чтобы определить коэффициент передачи U н /U п данной схемы ППН, введем допущение о том, что индуктивность дросселя L является очень большой величиной, близкой к L =¥.
В этом случае постоянные времени цепей заряда-разряда дросселя велики, процесс нарастания-спада тока в дросселе очень длительный и на интервале периода следования импульсов Т изменения тока незначительны. Можно принять средние значения токов заряда-разряда равными и неизменными, т.е. считать I L .зар.ср = I L .разр.ср =I L =const. При указанных допущениях можно составить баланс энергий источника питания при заряде и разряде дросселя в пределах периода Т (пренебрегая потерями).
Энергия, отдаваемая в цепь источником питания за весь период следования импульсов Т =t 0 +t з, частично запасается в дросселе (в интервале времени открытого состояния транзистора), а в интервале времени t з, соответствующем закрытому состоянию транзистора, частично идет на подзаряд конденсатора и частично расходуется в резисторе нагрузки R н. Уравнение энергии источника за период имеет вид
W и =U п ×I L ×T .(6.5)
С другой стороны, можно записать уравнение той же энергии источника W и ¢ , отдаваемой в цепь в сумме с накопленной в дросселе энергией в интервале времени закрытого состоянии транзистора t з.
Для составления такого уравнения с равными в обоих случаях количествами отдаваемой источником во внешнюю цепь энергии (W и = W¢ и), нужно считать, что напряжение источника в интервале t з уже не равно U п, а иное: U н =U п +u др, где U др – добавочное напряжение на дросселе, эквивалентное рассмотренной ранее противо-ЭДС в обмотке дросселя
W и ¢ =U н × I L ×t з =U н ×I L ×(Т -t 0). (6.6)
Приравнивая выражения (6.5) и (6.6), получим
(6.7)
Из выражения (6.7) можно определить коэффициент передачи рассматриваемого НППН, предварительно разделив правую часть на T :
. (6.8)
Графическая зависимость коэффициента передачи такой схемы ППН, изображенной на рис. 6.4, приведена на рис. 6.6.
Таким образом, в НППН с такой силовой схемой выходное напряжение всегда больше входного. Это происходит потому, что на этапе разряда дросселя в нагрузку поступает и энергия, запасенная в дросселе, и энергия источника питания. Коэффициент передачи этой схемы изменяется от 1 при K з =0 до бесконечности при K з =1. Такие НППН часто называют преобразователями повышающего типа.
НППН инвертирующего типа . Третий тип НППН показан на рис.6.5,а. Его силовая схема образована транзистором, включенным последовательно с нагрузкой и дросселем, включенным параллельно ей.
"Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).
Повышающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Step-Up Voltage Converter, Step-Up Voltage Regulator, Boost Converter, ПвП), имеют ту особенность, что выходное напряжение V 0 этих преобразователей больше входного нестабилизированного напряжения V IN . Кроме того, V 0 стабильно при изменении V IN и выходного тока I 0 преобразователя. Это обстоятельство определяет применение ПвП для питания стабилизированным напряжением главным образом электронной аппаратуры с батарейным питанием (входное напряжение в этом случае невелико) или некоторых блоков такой аппаратуры, для питания которых требуется напряжение большей величины, чем для остальных.
В статье рассмотрен принцип действия ПвП, описаны интегральные схемы для реализации таких преобразователей вместе с основными их электрическими параметрами. Как правило, такие ПвП обеспечивают положительное V 0 .
Принцип работы
Основная схема ПвП приведена на рис.1 а. Ключ S является биполярным транзистором структуры n-p-п или МОП-транзистором. Интервал времени, в течение которого транзистор открыт (ключ замкнут, отрезок t 0N на рис.1б), и интервал, когда транзистор закрыт (ключ разомкнут, отрезок t 0FF), определяются схемой управления CON. При замыкании ключа (моменты t 0 и t 2 на рис. 1.б) напряжение в точке соединения диода VD и катушки L равно нулю (U = 0), если пренебречь падением напряжения на S и Rs. Диод VD закрыт благодаря положительной величине выходного напряжения, поддерживаемого зарядом, накопленным в конденсаторе С. К катушке L приложено входное напряжение V IN , и через нее и S проходит линейно возрастающий ток
благодаря которому в катушке накапливается энергия магнитного поля. За время t ON ток в катушке возрастает на величину:
Рис. 1.а Основная схема ПвП
При этом заряженный конденсатор С обеспечивает выходной ток Io схемы. При размыкании S (момент t 1 на рис.1б) полярность напряжения, приложенного к L, меняет свое направление и становится такой, как показано на рис. 1а. Это напряжение складывается с V IN , обеспечивая соотношение U > Vo и открывание диода VD. Приложенное к L внешнее напряжение, равное V IN - Vo, определяет проходящий через нее ток:
Его величина со временем линейно уменьшается, т.к. катушка отдает свою энергию для поддержания тока I 0 и восстановления заряда С. За время t 0FF отдается лишь часть накопленной энергии, поэтому изменение тока составляет (с учетом соотношения величин V IN и Vo)
Знак минус в верхнем индексе тока указывает на то, что этот ток течет за счет расходования энергии катушки. Исходя из очевидного соотношения
которое имеет место в установившемся режиме работы, получаем зависимость:
 | (1) |
Отсюда видно, что всегда Vo > V IN , т.е. схема является ПвП. Обычно C ON задает постоянную частоту
импульсов UCON, управляющих S. При этом Vo можно изменять, варьируя t 0FF , что означает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) (Pulse-Width Modulation, PWM). Более того, всякое нежелательное изменение Vo приводит к такому изменению t 0FF , чтобы восстановилось исходное значение Vo. Таким образом, работа ПвП в качестве стабилизатора обеспечивается C ON через непрерывное изменение коэффициента заполнения (Duty Factor):
управляющих импульсов. Выражение (1) часто записывается в виде
Рис. 1. б Временные диаграммы, поясняющие принцип работы
Во время работы ПвП могут возникать скачки тока i L из-за резкого изменения V IN или сопротивления нагрузки на выходе, что может привести, пусть даже и за короткое время, к нежелательному насыщению катушки. Избежать этого можно при помощи токовой ШИМ, при которой CON регулирует ток через замкнутые контакты S, для чего используется резистор Rs, показанный на рис. 1а пунктирной линией. Реже используются ПвП с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ, Pulse-Frequency Modulation, PFM), при которой изменяются одновременно fo и δ.
Ток i L имеет постоянную составляющую l 0 , которая является выходным током ПвП, и нежелательную переменную составляющую ΔI L , почти полностью проходящую через конденсатор С. Для нормальной работы ПвП рекомендуется обеспечить соотношение ΔI L =0,4 I 0 . Оставшаяся небольшая часть ΔI L проходит через нагрузку. Это означает, что выходное напряжение Vo имеет переменную составляющую. В этом заключается серьезный недостаток ПвП, который ограничивает их использование в электронной аппаратуре, обеспечивающей усиление слабых сигналов.
Уменьшение I О означает накопление в L и, соответственно, отдачу нагрузке меньшей энергии. При I omin = 0,5·ΔI L (пунктирная линия на рис.1.б), накопленная энергия и I L становятся равны 0 в момент замыкания ключа S. Дальнейшее уменьшение i О не рекомендуется, хотя такой режим работы, в принципе, возможен. Для того чтобы избежать режима работы, при котором i 0
Важная особенность ПвП состоит в том, что ток I IN , потребляемый от источника V IN , больше io и имеет величину
| (2) |
где &????; - коэффициент полезного действия (КПД) ПвП.
Схемы управления ПвП
Они имеют аналогичные схемные решения и принцип работы, что и ПнП .
Интегральные схемы ПвП
Обобщенная структура ИС для ПвП приведена на рис.2а вместе с внешними элементами, которые необходимо к ней подключить. Пунктирной линией отмечены связи, используемые только в некоторых ИС. Питание всех каскадов ИС обеспечивается внутренним стабилизатором VR. Выходное напряжение Vo поступает на вход обратной связи FB. Благодаря делителю R1-R2 определенная его часть подается на инвертирующий вход усилителя ошибки ЕА. К неинвертирующему входу этого усилителя приложено опорное напряжение VREF (около 1,25 В) от источника REF. В некоторых ИС оно выводится на отдельный вывод. Между ним и "землей" подключается конденсатор емкостью около 10 нФ, чтобы на неинвертирующий вход усилителя ошибки не проникали внешние помехи. Существуют ИС ПвП, в которых стабильная работа усилителя ошибки требует подключения к его выходу (вывод компенсации СОМР) внешней цепи RC. Усиленная ЕА разность
Рис. 2.а. ИС для ПВП
сравнивается компаратором Comp с линейно изменяющимся напряжением фиксированной частоты fo, генерируемым встроенным генератором OSC. Результатом этого сравнения являются импульсы ШИМ на выходе компаратора, которые управляют ключом S через буфер BUF. В некоторых ИС ключ S устанавливается вне схемы. В этом случае вывод SW является выходом BUF (рис.2.б). Достаточно редко диод VD является конструктивным элементом ИС (рис.2.в).
Рис. 2.б. Вывод SW является выходом BUF
Рис. 2. в. Иногда диод VD является конструктивным элементом ИС
Схема, приведенная на рис.2а, рассчитана на фиксированное выходное напряжение Vo. Существуют ПвП с регулируемым Vo, при использовании которых R1-R2 являются внешним делителем, а вывод FB непосредственно соединен с инвертирующим входом усилителя ошибки.
Одной из постоянно расширяющихся областей применения ПвП служит аппаратура, питаемая от одной батареи (Single-Cell Instruments). Это щелочной или никель-кадмиевый элемент с напряжением 1,15...1,56 В или литиевый элемент с напряжением 2,30...3,10 В. Так как при этом требуется, чтобы ИС нормально работала вплоть до напряжения питания V IN = 1 В, она имеет иную конструкция, приведенную на рис.2.г. Напряжение V IN через фильтрующую катушку Lo (ее индуктивность - несколько миллигенри) питает только генератор OSC. На своем дополнительном выходе он создает достаточно высокое переменное напряжение, которое преобразуется в постоянное выпрямительным блоком REC. Полученное постоянное напряжение V+, обычно 12 В, фильтруется внешним конденсатором С емкостью около 1 мкФ и стабилизируется VR, который, в свою очередь, питает остальные блоки ИС.>
Рис. 2. г. Конструкция ПнП, работающая на одной батареи
Таблица 1
| Тип микро- схемы | Тип моду- ляции | Vo,В | Iomax,A | КПД,% | fo,кГц | V IN ,В | LR | LdR | VREF,B |
| LM2577 | ШИМ | 12; 15; 5..50 | 3 | 80 | 52 | 3,5..40 | 20мВ | 20мВ | 1,23 |
| LM2587 | ШИМ | 3,3; 5,0; 12; 5..50 | 5 | 75 | 100 | 4..40 | 20 мВ | 20 мВ | 1,23 |
| МАХ654 | ШИМ | 5 | 0,04 | - | 18 | 1,15..1,56 | - | - | 1,25 |
| МАХ655 | ШИМ | 5 | 0,06 | - | 18 | 2,30..3,10 | - | - | 1,25 |
| МАХ657 | ШИМ | 3 | 0,06 | - | 18 | 1,15..1,56 | - | - | 1,25 |
| МАХ659 | ШИМ | 3 | 0,06 | - | 18 | 2,30..3,10 | - | - | 1,25 |
| МАХ731 | ТШИМ | 5 | 0,2 | 82...87 | 170 | 2,5...5,52 | 0,2%/В | 0,005%/мА | 1,23 |
| МАХ732 | ТШИМ | 12 | 0,2 | 82...92 | 170 | 4,0..9,3 | 0,2%/В | 0,0035%/мА | 1,23 |
| МАХ733 | ТШИМ | 15 | 0,125 | 82..92 | 170 | 4,0..9,3 | 0,2%/В | 0,0035%/мА | 1,23 |
| МАХ734 | ТШИМ | 12 | 0,12 | 85 | 170 | 4,0..11,0 | 0,2%/В | 0,0035%/мА | 1,23 |
| МАХ751 | ТШИМ | 5 | 0,15 | 86 | 170 | 2,7..5,0 | 0,2%/В | 0,005%/мА | 1,23 |
| МАХ752 | ТШИМ | 1,8..15 | 0,2 | 85..95 | 170 | 1,8..11,0 | 0,2%/В | 0,0035%/мА | 1,23 |
| МАХ756 | ЧИМ | 3,3;5 | 0,2 | 87 | 1,8..5,6 | - | - | 1,25 | |
| МАХ777 | ЧИМ | 5 | 0,24 | 85 | 1,0..6,2 | - | - | - | |
| МАХ778 | ЧИМ | 3,0;3,3 | 0,24 | 85 | 1,0..6,2 | - | - | - | |
| МАХ779 | ЧИМ | 1..6 | 0,24 | 85 | 1,0..6,2 | - | - | - |
Основные параметры
Они совпадают с параметрами понижающих преобразователей, рассмотренных в . Исключение составляет естественное отсутствие параметра (V IN - V 0)min но вместо него приводится величина минимальной разности между входным и выходным напряжениями.
В таблице приведены основные параметры ИС ПвП двух крупнейших мировых производителей, а также указан использованный вид модуляции. Здесь LM - это изделия фирмы National Semiconductor, MAX - схемы фирмы MAXIM.
Рис. 3 Цоколевка ИС, приведенных в таблице 1
Для ПвП с ЧИМ в качестве параметров даются минимальный интервал времени t OFF MIN , в течение которого ключ замкнут, и максимальный интервал времени t 0N max - в течение которого ключ разомкнут. Цоколевка ИС, приведенных в таблице, дана на рис. З.
Литература
- Куцаров, С. Понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное. - Радиомир, 2003, N 7.
- Куцаров, С. Применение понижающих преобразователей. - Радиомир, 2003, N 10.
Дата публикации: 15.03.2004
Мнения читателей
- Вовану
/ 08.11.2012 - 16:50
У меня тоже муравей. Так вот заряд идет наверно чутка выше тысячи, где-то на 1500-1800. Проверяй щетки, регулируй реле/ставь электронное - Вован
/ 25.02.2011 - 18:11
У меня восход с мотором от муравья. В конструкции мотора используется династартер дс 1а. Нужное напряжение он дает после 3000 об/мин. В связи с особенностями эксплуатации (езда со скоростью 40 км/ч) аккумулятор почти не заряжается. Реле регулятор использую от ваз 2106. решил между реле и возбудительной обмоткой генератора воткнуть повышающий преобразователь. Что посоветуйте? - сергей
/ 04.02.2010 - 20:27
нужна схема 12-24в 12-220в
Рост электрических нагрузок в системе тягового электроснабжения, вызванный увеличением объемов выполняемой работы, вывел системы тягового электроснабжения постоянного тока на предельные режимы работы, не удовлетворив при этом необходимых размеров движения. В связи с этим стали интенсивно исследоваться альтернативные системы тяги, помимо систем с уровнем напряжения в контактной сети от 6 до 24 кВ. Эти системы требуют применения принципиально нового электроподвижного состава, имеющего на борту управляемый преобразователь, осуществляющего понижение напряжения контактной сети до уровня 1500 В.
Другим решением является трехпроводная система Т.П. Третьяка. Сущность ее заключается в том, что уровень напряжения в контактной сети постоянного тока сохраняется прежним, что позволяет эксплуатировать прежний электроподвижной состав, но значительная часть электроэнергии подается к нему повышенным напряжением постоянного тока 6 кВ при помощи дополнительного провода, подвешенного с полевой стороны. Преобразование энергии постоянного тока повышенного напряжения в энергию постоянного тока 3 кВ осуществляется преобразователями, размещенными вдоль электрической железнодорожного полотна. Схема такой системы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Система тягового электроснабжения Т.П. Третьяка. ТТ-тяговые трансформаторы;. И-инвертор; ЭПС- электроподвижной состав; НВ- нейтральная вставка, разграничивающая контактную сеть на отдельные секции
В настоящее время перспективным считается тяговый привод на асинхронных электродвигателях, преимущества которых подтверждены опытом эксплуатации на железных дорогах Европы. Этому способствуют успехи в создании запираемых тиристоров (GTO и IGCT) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) на рабочее напряжение 6 кВ, используемых компаниями Siemens, Adtranz и другими.
Система электрической тяги постоянного тока 15 кВ была предложена в США порядка четыре десятков лет назад. В Италии разработаны системы тяги постоянного тока 12 кВ, выполнено сравнение систем тяги постоянного тока 12 кВ и переменного 25 кВ, 50 Гц в целом по капитальным затратам и доказано, что для системы постоянного тока они меньше.
Рис. 2. Возможная принципиальная схема электроподвижного состава постоянного тока повышенного напряжения (электровоз с импульсным управлением тягового двигателя)
Сущность системы заключается в том, что к двигателю энергия при помощи тиристоров подается не непрерывно, а порциями (импульсами). В зависимости от продолжительности импульса и их частоты среднее напряжение на двигателе будет изменяться. Такое регулирование осуществляется при помощи тиристора, управляемого специальной схемой (рис. 2).
На основе импульсных преобразователей может быть построено устройство, называемое инвертором, которое на выходе может выдавать как постоянный (выпрямленный) ток, так и переменный с регулируемой частотой. Последнее обстоятельство позволяет применить в качестве тяговых очень надежные и простые в эксплуатации асинхронные двигатели.
Схема, приведенная на рис. 29 работает следующим образом. В открытом состоянии тиристора Т сетевой ток замыкается через дроссель Lg; в закрытом состоянии тиристора ток замыкается через диод D и элементы инвертора. На конденсаторе Св поддерживается постоянное напряжение с переменной составляющей, зависящей от емкости конденсатора. В случае пробоя тиристора аварийный ток замыкается через дроссель Lg. Скорость нарастания тока ограничена индуктивностью дросселя, что создает благоприятные условия для отключения цепи защитным аппаратом (выключателем). Диод D при достаточном запасе по напряжению предохраняет инвертор от попадания на него высокого потенциала. Приведенная схема обеспечивает эффект гальванической развязки звеньев высокого и пониженного напряжения.
Система электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения снимает традиционные для системы переменного тока проблемы: пониженный коэффициент мощности, асимметрию первичного сетевого напряжения и присутствие высших гармоник.