Przekształtniki DC/DC.
Wiadomości podstawowe
Regulatory napięcia i prądu stałego jako układy energoelektroniczne
służą do sterowania przepływu energii elektrycznej prądu stałego.
Wykorzystywane
są do zasilania prądem stałym odbiorników takich
jak: źródła światła, źródła ciepła, silniki prądu stałego - zapewniając
jednocześnie możliwość regulacji parametrów przekształcanej energii.
Przekształtniki te są najczęściej zasilane z sieci prądu stałego lub
baterii akumulatorów.
Dynamiczny rozwój sterowalnych elementów półprzewodnikowych
pozwolił na osiągnięcie mocy jednostkowych tych urządzeń do
kilkudziesięciu kilowatów.
Dużą zaletą regulatorów jest łatwa i prosta regulacja przekształcanej
energii. Przy projektowaniu urządzeń energoelektronicznych występują
istotne różnice podczas stosowania w pełni sterowalnych tranzystorów a
półsterowalnych tyrystorów, które wymagają dodatkowych obwodów do
ich wyłączenia. Dzięki prostocie układów z tranzystorami mocy są one
częściej wykorzystywane w układach przekształtnikowych.
Ogólne właściwości regulatorów napięcia stałego.
Każdy układ regulacji może być przedstawiony w postaci czwórnika,
dla którego wielkości wejściowe stanowią napięcia wejściowe,
zmieniające się w określonych granicach, i prąd wejściowy, a wielkości
w
yjściowe - prąd obciążenia i napięcie wyjściowe
Napięcie wyjściowe u
d
jest zawsze zależne od następujących
zmiennych:
- napięcia wejściowego U,
- prądu wyjściowego I
d
,
- nastawy regulacji napięcia wyjściowego,
- temperatury
,
- czasu t,
Ogólnie możemy zapisać,
,t)
,
f(U,I
U
d
d
,t)
,
f(U,I
I
d
d
Charakterystycznymi parametrami dla regulatorów napięcia stałego
są:
- zakres regulacji napięcia wyjściowego
U
d
min
max
d
d
d
U
U
ΔU
- współczynnik tętnień
T
d
T
T
U
U
χ
dla I
d
;
; t = const.
gdzie:
U
T
-
wartość międzyszczytowa napięcia tętnień
U
d
– wartość średnia napięcia wyjściowego
- rezystancja wyjściowa r
0
d
d
I
U
r
0
dla U ;
; t = const.
Wielkości występujące w/w równaniach zmieniają swe wartości w
dość szerokich granicach wraz ze zmianami temperatury, czasu lub
obciążenia. Dlatego też dla określonego zakresu zmian do rozważań
przyjmuje się ich średnie wartości.
Ze względu na dużą złożoność obliczeń, do analizy tych układów
zakłada się że wszystkie elementy są idealne.
Klasyfikacja regulatorów napięcia stałego.
Ze względu na sposób regulacji napięcia rozróżniamy dwa typy
regulatorów:
Pierwszy typ regulatora to regulator
działający w sposób ciągły.
Istota regulacji napięcia wyjściowego polega na „traceniu” części
napięcia wejściowego na sterowniku S. Ideę działania tego typu
regulatorów przedstawiono na rys.1
Napięcie sterujące U
s
lub inna wielkość sterująca powoduje
zmianę rezystancji sterownika S i spadek napięcia ΔU
R
.( rys. 1a).
W regu
latorze równoległym (rys.14.1b). zmienna rezystancja
sterownika włączona jest równolegle do zacisków wyjściowych i
wywołuje dodatkowy spadek napięcia na rezystancji R
S
regulując tym
samym wartość napięcia wyjściowego U
d
.
Ujemną cechą tych regulatorów jest mała sprawność układu
wynikająca z tego, że cała nadwyżka mocy jest tracona w sterowniku.
Rys. 1. Schematy regulatora typu ciągłego: a) - szeregowy,
b)
– równoległy.
Drugi typ regulatora, to regulator działający w sposób
impulsowy.
W regulatorach
tych sterownik pracuje jako łącznik, który w cyklu
pracy kolejno przewodzi i przerywa prąd wejściowy I.
Napięcie sterujące U
s
powoduje w przetworniku impulsowym zmianę
wartości współczynnika wypełnienia przebiegu w takt którego sterownik
przewodzi lub jest zablokowany.
Przez regulację stosunku czasu włączenia do czasu wyłączenia
otrzymujemy regulację średniej wartości napięcia wyjściowego U
d
.
Regulator impulsowy odznacza się wyższą sprawnością od
regulatora ciągłego ze względu na mniejsze straty mocy w sterowniku S.
Wynika to z tego, że podczas przewodzenia spadek napięcia na
sterowniku jest niewielki, natomiast w czasie odcięcia płynie przez niego
tylko niewielki prąd.
Podstawową wadą regulatorów impulsowych jest stosunkowo długi
czas reakcji na sta
ny przejściowe (np. gwałtowną zmianę prądu
obciążenia).
Zasada impulsowej regulacji napięcia.
Analizę impulsowego regulatora napięcia można przeprowadzić na
podstawie uproszczonego schematu przedstawionego na rys. 2.
Podstawowym elementem regulatora j
est łącznik W, który cyklicznie
łączy źródło napięcia wejściowego U na czas T
z
i odłącza na czas T
w
=T-
T
z
.
Indukcyjność L połączona szeregowo z rezystancją obciążenia R
pozwala na utrzymanie ciągłości prądu i
d
.
Rys. 2. Uproszczony schemat impulsoweg
o regulatora napięcia.
Dioda D zamyka obwód obciążenia w czasie T
w
. Na rys.3.przedstawiono
przebiegi czasowe prądów i napięć regulatora impulsowego z rys.3
Rys. 3.
Przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie z rys. 2.
Jeżeli indukcyjność dławika będzie odpowiednio duża, to tętnienia
prądu obciążenia będą tak małe, że będzie można uważać prąd ten za
praktycznie stały.
Zakładając że regulator napięcia zbudowany jest z idealnych elementów,
moc pobrana równa jest mocy oddanej. Otrzymujemy więc:
T
T
U
U
z
d
W układach impulsowych stosunek czasu trwania impulsu T
z
do
okresu repetycji T nazywa się współczynnikiem wypełnienia impulsu
T
T
δ
z
Wartość średnia napięcia wyjściowego U
d
wynosi więc:
U
δ
U
d
Ze wzoru
wynika, że regulacja napięcia wyjściowego U
d
odbywa się
poprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsu
przy U = const.
Warto tu zauważyć, że sterowanie napięcia wyjściowego może odbywać
się poprzez zmianę szerokości impulsu sterującego T
z
przy T = const,
lub przez zmianę częstotliwości repetycji T przy T
z
= const.
Rodzaje impulsowych regulatorów napięcia.
Wyróżniamy trzy podstawowe typy impulsowych regulatorów
napięcia:
1.
Regulator z szeregowym tranzystorem i szeregowym dławikiem
Rys. 4. Regula
tor z szeregowym tranzystorem i szeregowym dławikiem
Schemat regulatora przedstawiono na rys.
4. Różni się on od
przykładu przedstawionego na rys. 2. tym, że łącznik zastąpiono
tranzystorem T a rezystancję obciążenia zbocznikowano dodatkowo
pojemnością C dla zmniejszenia tętnień napięcia wyjściowego.
Działanie układu przebiega następująco. Gdy tranzystor T zostaje
wysterowany do stanu nasycenia, na dławiku L pojawia się napięcie U-
U
d
. Pod wpływem tego napięcia prąd dławika i
L
narasta. Część prądu
dławika płynie przez odbiornik, a część ładuje kondensator C (od
momentu, w którym i
L
>I
d
). Gdy tranzystor przechodzi w stan odcięcia,
prąd dławika zamyka się poprzez odbiornik i diodę D. W tym czasie prąd
dławika maleje, gdyż zwrot jego jest przeciwny do zwrotu napięcia na
dławiku, które wynosi teraz – U
d
. Zwróćmy jeszcze uwagę na to, że
zmiany napięcia wyjściowego są nieporównywalnie małe w stosunku
zmian napięcia na dławiku. Pozwala to nam traktować napięcie U
d
jako
stałe regulowane współczynnikiem wypełnienia impulsu
według
zależności:
U
δ
U
d
Ponieważ współczynnik wypełnienia impulsu przyjmuje zawsze wartości
w zakresie 0 <
< 1, to napięcie wyjściowe U
d
w tym układzie zawsze
będzie mniejsze od napięcia zasilania U.
2.
Regulator z równoległym tranzystorem i szeregowym dławikiem
Rys. 5. Regulator z równoległym tranzystorem i szeregowym dławikiem
Schemat regulatora przedstawiono na rys.5.
Praca tego układu przebiega następująco. W momencie, kiedy
tranzystor T zostaje wysterowany do nasycenia dioda D przestaje
przewodzić i dzięki temu rozłączają się obwody: wejściowy (dławik L,
tranzystor T) i wyjściowy (kondensator C i obciążenie R). W obwodzie
wejściowym prąd dławika narasta liniowo tak długo, dopóki tranzystor T
jest nasycony, tzn. przez czas T
z
=
T. W tym samym czasie
kondensator C rozładowuje się prądem obciążenia. W momencie kiedy
tranzystor T zostaje odcięty, dioda D zostaje spolaryzowana w kierunku
przewodzenia i prąd dławika doładowuje kondensator. W czasie T
w
= (1-
)
.
T prąd dławika maleje liniowo, gdyż
napięcie wyjściowe jest zawsze
nie mniejsze od U
. Gdy tranzystor T jest stale odcięty, wyjście układu
jest stale połączone z wejściem poprzez dławik L i w stanie ustalonym
napięcie U
d
(
=0)=U. Charakterystyka sterowania tego układu ujmuje
zależność:
U
δ
U
d
1
1
Ze wzoru tego wynika, że napięcie wyjściowe U
d
zawsze jest większe lub
równe od napięcia zasilającego U.
3.
Regulator z szeregowym tranzystorem i równoległym dławikiem.
Rys. 6. Regulator z szeregowym tranzyst
orem i równoległym dławikiem
Założenia do analizy tego układu są te same co w poprzednich
przypadkach, tzn. praca przy małych tętnieniach napięcia wyjściowego i
bezstratność elementów składowych sterownika.
W przedziale czasu
z
T
t
0
, kiedy przewodzi tranzystor T i dioda D
jest spolaryzowana zaporowo, prąd dławika i
L
zmienia się zgodnie z
zależnością:
U
dt
di
L
L
Rozwiązaniem tego równania jest funkcja:
t
L
U
I
t
i
L
1
Po
kolejnych przekształceniach otrzymujemy charakterystykę sterowania
dla stanu ciągłego przewodzenia dławika
U
δ
δ
U
d
1
Istotną cechą tego układu jest to, że w zależności od wartości
współczynnika wypełnienia impulsu
napięcie wyjściowe może być
zarówno mniejsze jak i większe od napięcia zasilania
.
W celu wyznaczenia charakterystyki napięciowo prądowej korzysta
się z warunku równości ładunku dopływającego do kondensatora C i
odpływającego z niego w czasie jednego okresu
Przykładową charakterystykę napięciowo-prądową przedstawiono
na rys. 7
Rys. 7. Charakterystyka U
d
/U = f(
; I
d
/I
d kr
)
Analizując charakterystykę napięciowo-prądową regulatora dla
stanu przewodzenia warto zauważyć, że dla prądu obciążenia I
d
dążącym do zera napięcie wyjściowe dąży do nieskończoności.
PODSUMOWANIE
U
δ
U
d
U
δ
U
d
1
1
U
δ
δ
U
d
1
0 ≤ U
d
≤ U
U ≤ U
d
0 ≤ U
d
≤ k
.
U
(nieodwracający)
(nieodwracający)
(odwracający)