Принцип преобразования энергии

June 1, 2010 by admin Комментировать »

Задача создания почти нерассеивающего мощность источника питания легко решаема, если отсутствует требование стабилизации. В этом слу­чае для переменных напряжений подошел бы простой трансформатор, а для постоянных напряжений инвертор или преобразователь. Правильно рассчитанный трансформатор практически рассеивает очень небольшую мощность, а выходное напряжение можно легко установить просто из­меняя отношение числа витков первичной и вторичной обмоток. Тоже самое имеет место в инверторе или преобразователе, использующих вы­сокочастотный трансформатор, коэффициент трансформации которого также можно изменять.

Требование стабилизации выходного напряжения или тока, несмот­ря на изменения входного напряжения, значительно усложняет дело. Стабилизация обычно включает процесс исправления ошибки с помо­щью схемы, которая может следить за выходным напряжением и выпол­нять необходимую коррекцию для удержания выходного напряжения в точно установленных пределах. Трансформатор не позволяет это сде­лать, потому что трудно варьировать отношение числа витков; имеются механические способы изменения коэффициента трансформации, на­пример, вариак или автотрансформатор с плавной регулировкой, но бы­страя, точная стабилизация требует чисто электронных методов. В сущ­ности все, что необходимо — это чисто электронный процесс преобразования электрической энергии от одного напряжения к друго­му. В идеальном случае он должен происходить без заметного рассеяния энергии.

Современный импульсный стабилизатор удовлетворяет этому требо­ванию благодаря процессу коммутации, который предусматривает вре­менное хранение энергии в индуктивном элементе, как это показано на рис. 6.2Е. В действительности катушка индуктивности предназначена для того, чтобы накопить энергию в течение времени, когда последователь­ный ключ включен, и отдать ее в течение времени, когда ключ выклю­чен. Выходное напряжение или ток импульсного стабилизатора регули­руются простым изменением длительности рабочего цикла или частоты процесса переключения. Эта задача относительно легко решается с по­мощью электроники.

Сначала этот принцип преобразования энергии можно проиллюстри­ровать на примере работы простой схемы однополупериодного выпрями­теля, изображенного на рис. 6.4. Выпрямительный диод фактически вы­полняет функцию переключения, которое синхронизировано так, чтобы энергия поступала в нагрузку в виде импульсов напряжения, имеющих положительную полярность.

clip_image002

Рис. 6.4. Наглядное представление процесса переключения в простой схеме выпрямителя. Процесс переключения в однополупериодном выпрямителе синхронизирован с моментом прохождения через нуль напряжения переменного тока во вторичной обмотке. Считается, что диод идеальный, то есть имеет нулевую разность потенциалов в открытом состоянии, нулевое прямое сопротивление и бесконечное обратное сопротивление.

Если теперь последовательно с нагрузкой включить катушку индук­тивности, как показано на рисунке. 6.5, то импульсы энергии, поступаю­щей в нагрузку, удлиняются так, что становятся больше полупериода прикладываемого переменного напряжения. С разомкнутым переюхюча-телем импульсы никогда не могут наложиться один на другой, чтобы сформировать постоянное напряжение на нафузке. Но с замкнутым пе­реключателем энергия, запасенная в виде магнитного поля в катушке индуктивности, выделяется в нафузке в течение времени, когда диод не проводит. Соответствующим выбором индуктивности катушки и сопро­тивления резистора можно добиться, чтобы энергия поступала в нагруз­ку непрерывно, с очень небольшими пульсациями.

Размер катушки или значение индуктивности обратно пропорциональ­но связаны с рабочей частотой, или точнее частотой повторения импуль­сов. В системе, работающей с частотой сети 60 Гц, схема однополупери­одного выпрямителя дает 60 импульсов в секунду, а двухполупериодная или мостовая схемы дают 120 импульсов в секунду, что вдвое выше часто­ты на входе (это основная причина, по которой двухполупериодная и мо­стовая схемы предпочтительнее простой однополупериодной схемы).

Уменьшение индуктивности становится весьма существенным, если час­тота импульсов поднимается с 60 Гц до (к примеру) 60 кГц, а это приво­дит к снижению габаритов и стоимости, хотя в меньшей пропорции. Тем не менее, видно существенное преимущество импульсных источников пи­тания, работающих с высокими частотами переключения.

clip_image004

Рис. 6.5. Неэффективный, но наглядный метод получения постоянного тока. Несмотря на то, что выпрямительный диод выдает импульсы в течение полупериода, через катушку индуктивности в нагрузку поступает непрерывный ток.

Возвращаясь к рис. 6.5, видим, что при использованием простого ре­зистора возникает проблема рассеивания в нем энергии, то есть, имеет­ся потеря энергии, препятствующая реализации нашей цели — создать почти не рассеивающий мощность источник питания. Хотя наличие ре­зистора можно использовать для того, чтобы растянуть во времени вы­деление энергии, запасенной в катушке индуктивности, но это осуще­ствляется только за счет поглощения части этой энергии. К счастью, эта проблема легко преодолима.

Если резистор заменить вторым диодом, получим схему, приведенную на рис. 6.6. Считая, что диоды идеальные получаем, что операция переклю­чения выполняется без рассеяния энергии; когда диод проводит, его пря­мое сопротивление фактически равно нулю, а когда не проводит, его об­ратное сопротивление настолько велико, что может считаться бесконеч­ным. Когда диод D\ проводит, энергия поступает в катушку индуктивности, и происходит это только в течение времени, пока входное напряжение пе­ременного тока превышает напряжение на нафузке. Диод 1У1 обеспечивает путь току катушки индуктивности в течение времени, когда не проводит диод как показано на рис. 6.6. Хотя на рисунке показано, что переклю­чение тока, протекающего через диоды происходит мгновенно, но в схеме, использующей реальные диоды, это не так, поскольку в открытом состоя­нии у них конечное прямое сопротивление и конечное падение прямого напряжения, и это приводит к замедлению процесса переключения.

clip_image006

Рис. 6.6. Лучший метод получения непрерывного тока в нагрузке. Здесь предполагается, что резистор в схеме на рис. 6.5 заменен диодом,.не рассеивающим энергию. Этот «фиксирующий» диод позволяет передать энергию, запасенную катушкой индуктивности, в нагрузку, а в течение времени, когда проводит диод он закрыт.

Схема, показанная на рис. 6.6, представляет собой импульсный стабили­затор как переменного, так и постоянного напряжения. Если диод D\ заме­нить управляемым переключающим элементом, а на вход подать постоян­ное напряжение, то получим схему, изображенную на рис. 6.2Е. При использовании этого метода для переменного тока диод D\ следует заменить тиристором, а управление величиной выходного напряжения можно полу­чить изменяя фазовый угол его проводимости способом, подобным показан-

HONfy на рис. 6.2F. В любом случае, выходное напряжение регулируется бла­годаря изменению времени проводимости переключающего элемента. По­этому, становится возможным стабилизировать выходное напряжение или ток с помощью почти нерассеивающего энергию процесса коммутации.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты