 |
Импульсные стабилизаторы напряжения
|
|
|
|
В отличие от ранее рассмотренных линейных стабилизаторов в импульсных стабилизаторах напряжения транзистор, через который течет ток в нагрузку, периодически открывается и закрывается, т.е. работает в ключевом режиме. Причем регулирование осуществляется путем изменения паузы, в течение которой через ключевой транзистор течет ток нагрузки от источника постоянного входного напряжения. Таким образом, транзистор работает не в линейном, а в импульсном режиме: он либо полностью открыт, либо полностью закрыт. В таких стабилизаторах среднее значение напряжения на нагрузке U вых = U вх t / T, где Т — период следования импульсов; t — продолжительность замкнутого состояния ключа.
Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии на транзисторе падает очень небольшое напряжение, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.
Рис. 2.32. Импульсный стабилизатор напряжения (а) и происходящие в нем процессы (б)
Поскольку регулирование осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсные стабилизаторы (рис. 2.32), так же как и линейные, являются компенсационными. Сигнал рассогласования U р, образованный сравнивающим элементом СЭ и усиленный усилителем У, преобразуется в импульсы, следующие с одинаковой частотой, длительность которых t вкл изменяется под действием сигнала рассогласования. Эти импульсы открывают и закрывают ключевой транзистор VТ, который вместе с диодом VD и LC -фильтром образует импульсный регулирующий элемент.
|
|
|
Пока напряжение пилообразного напряжения U п < U р (участок t 0 — t 1 на рис. 2.32, б), транзистор заперт. В течение времени t 1 — t 3, когда U п > Uр, транзистор открыт, и напряжение U вх приложено к дросселю. Под действием U вх диод VD запирается, а ток через дроссель i др увеличивается, запасая энергию в индуктивности. До тех пор, пока ток дросселя не достигнет значения постоянного тока нагрузки I н (участок t 1 — t 2), конденсатор С разряжается на нагрузку и напряжение на нем U C снижается. С момента времени t 2, когда i др > I н, конденсатор начнет подзаряжаться разностью токов i др – I н. В момент t 3 запирания транзистора ЭДС самоиндукции дросселя открывает диод и ток дросселя, замыкаясь через диод, протекает по нагрузке и до момента t 4 продолжает заряжать конденсатор, отдавая ему запасенную дросселем энергию. На участке t 4 – t 5 ток дросселя меньше тока нагрузки и нагрузка подпитывается током разрядки конденсатора. С момента t 5 процесс повторяется.
Пусть выходное напряжение станет меньше заданного значения и напряжение рассогласования U р уменьшится на величину –Δ U р. Тогда момент времени, когда пилообразное напряжение, формируемое ГПН, станет равным напряжению U р, наступит раньше, а время открытого состояния транзистора t вкл, формируемого ШИМ, увеличится. Это приведет к возрастанию выходного напряжения U вых и восстановлению его заданного значения. Если же выходное напряжение увеличится, напряжение рассогласования также увеличится на величину +Δ U р. Это приведет к тому, что момент открытия транзистора, формируемый ШИМ, наступит позже, а время открытого состояния транзистора t вкл уменьшится. В результате выходное напряжение уменьшится и его заданное значение восстановится.
СИЛОВЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРОВ И МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Управляемые выпрямители
К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях, токи в которых измеряются десятками, сотнями и даже тысячами ампер, а величины напряжения — сотнями и тысячами вольт. Такие устройства чаще всего выполняются на основе тиристоров, которые, по существу, являются мощными управляемыми ключами. В отличие от ключей на полевых транзисторах тиристорный ключ пропускает ток только в прямом направлении, как и обычный выпрямительный диод, но для этого он должен быть открыт подачей импульса напряжения на управляющий электрод.
|
|
|
Тиристоры используются как для преобразования переменного напряжения в постоянное, так и наоборот. К первым относят управляемые выпрямители, к вторым — инверторы. Управляемые выпрямители на основе тиристоров позволяют изменять постоянную составляющую напряжения U 0 от нуля до максимального значения, определяемого формулами для диодных выпрямителей, при неизменном напряжении сети переменного тока. Для этого в схемах рис. 2.28 и 2.29 выпрямительные диоды заменяют тиристорами (см. параграф 1.5).
Рис. 2.33. Однополупериодный тиристорный выпрямитель:
а — схема подключения и принцип работы; б — структурная схема; в — графики, поясняющие работу выпрямителя
Рассмотрим принцип работы таких схем на примере однополупериодного выпрямителя (см. рис. 2.28, а).
К синусоидальному напряжению сети U c с амплитудой U max подключены нагрузка R и тиристор VS (рис. 2.33, а). Тиристор открывается в момент времени, определяемый подачей на управляющий электрод УЭ импульса напряжения от схемы управления (если полупериод соответствует π, то этот момент времени соответствует углу α). В результате в течение интервала α — π к нагрузке подводится напряжение, заштрихованное на рис. 2.33, г, и по ней протекает ток.
В момент времени ωt = π ток уменьшается до нуля и тиристор запирается. Этот процесс повторяется каждый положительный полупериод (в отрицательные полупериоды тиристор заперт напряжением сети).
Структурная схема управления однополупериодного тиристорного выпрямителя показана на рис. 2.33, в, а графики, поясняющие работу выпрямителя, — на рис. 2.33, г. Напряжение сети поступает на синхронизирующее устройство СУ, которое в моменты перехода напряжения через нуль осуществляет запуск генератора пилообразного напряжения ГПН. Таким образом, в начале каждого полупериода напряжения сети U c ГПН формирует линейно нарастающее опорное напряжение U оп. Это напряжение поступает на один из входов схемы сравнения СС, выполняемой на основе компаратора. На другой вход СС поступает управляющее напряжение U y постоянного тока. В течение времени, пока напряжение U оп меньше напряжения U y, на выходе СС низкий уровень напряжения U cc, когда же напряжение U оп больше напряжения U y, на выходе СС высокий уровень напряжения U cc. По переднему фронту импульса U cc формирователь импульсов ФИ формирует импульсы напряжения U фи, которые подаются на УЭ тиристора и открывают его.
|
|
|
Изменяя U y, обеспечивают изменение угла α, т.е. момента открытия тиристора, и, таким образом, изменение времени, в течение которого через нагрузку течет ток. В результате изменяется и постоянная составляющая напряжения U 0, равная среднему за период напряжению на нагрузке:
.
Напряжение U 0 увеличивается вдвое при использовании двухполупериодного (см. рис. 2.28, б) управляемого выпрямителя. Так как ток нагрузки в один полупериод протекает через диоды VD 1, VD 3, а в другой — через VD 2, VD 4, для управления током в каждом полупериоде достаточно одного тиристора. Таким образом, управляемый выпрямитель можно построить на основе мостовой схемы, заменив два диода, например VD 1 и VD 2, на тиристоры.
Аналогично получают и трехфазные управляемые выпрямители, заменяя в схемах (см. рис. 2.29, а и в) диоды на тиристоры.
Такие управляемые выпрямители используют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока в электроприводах металлорежущих станков и транспортных средств.
|
|
|
