od P
Piotra
Fundamenty Elektroniki
Przetwornice impulsowe
Podstawowe k
konfiguracje − p
przetwornica zzaporowa
część 2
W poprzednim odcinku zaczęliśmy
musi być większa. Częstotliwość jest sta−
omawiać pracę przetwornicy odwracają−
ła, więc zwiększyć się musi porcja energii
cej. Podane tam informacje nie wyczer−
przekazywana na wyjście w każdym cy−
pały zagadnienia. Najważniejsze jeszcze
klu. Czy to możliwe?
przed T
Tobą.
Jeśli przy stałej częstotliwości zwięk−
szymy nieco czas włączenia klucza, to co
Do tej pory analizowaliśmy sytuację,
prawda zwiększymy ilość energii zgroma−
gdy obciążenie przetwornicy było niewiel−
dzonej w rdzeniu, ale jednocześnie
kie. Okazało się, że przy dużych rezystan−
skrócimy czas rozładowania cewki. więc
cjach obciążenia, prąd w cewce płynął tyl−
cewka nie zdąży się rozładować.
ko przez część cyklu. W pozostałej części
I co? Trudne, prawda?
cyklu prąd przez cewkę nie płynął, czyli
Zastanówmy się jednak, jak zachowa
cewka była wolna od energii. Rozstaliśmy
się układ, gdy blok regulacyjny nieco
się pytaniem, co się stanie, gdy w sytua−
zwiększy współczynnik wypełnienia im−
Rys. 1
14
cji pokazanej na rysunku 13 jeszcze bar−
pulsów. Popatrz na rysunek 1
14. Napięcie
dziej zmniejszymy rezystancję obciążenia RL.
wejściowe U1 nadal wynosi 10V, a więc
sunki 14 i 15 pokazują hipotetyczną sytu−
szybkość narastania prądu będzie
ację, gdy napięcie wyjściowe (i szybkość
taka sama jak na rysunku 13, bo
opadania prądu) są podobne jak na wcze−
przecież jest wyznaczona przez na−
śniejszych rysunkach 6−13, a tymczasem
pięcie wejściowe
wygląda na to, że przetwornica „nie wy−
[U=L * (∆I/∆t)].
rabia się”, wiec ilość przekazywanej
Na chwilę załóżmy, że napięcie
energii (moc) jest za mała i chyba napię−
wyjściowe U2 nie zmieniło się,
cie wyjściowe powinno się zmniejszyć.
więc szybkość opadania nadal jest
Słusznie!
taka jak na rysunku 13. Ponieważ
Ale to niczego nie zmienia. Jeśli napię−
czas zwarcia klucza i czas ładowa−
cie wyjściowe jest mniejsze, to...
nia cewki został zwiększony ko−
no właśnie – zmniejsza się szybkość
sztem czasu rozładowania, więc
opadania prądu, na koniec cyklu prąd jest
Rys. 6
6a.
cewka w czasie jednego cyklu
jeszcze większy i w rdzeniu pozostaje je−
zgromadzi więcej energii, ale nie−
szcze więcej energii. Mam nadzieję, że
stety nie zdąży tej energii oddać.
nadążasz...
We wszystkich przypadkach z ry−
Teraz kluczowe pytanie: czy to dobrze,
sunków 7−13 prąd na końcu cyklu
czy źle, że prąd w cewce rośnie jak poka−
pracy był równy zeru. Teraz wyglą−
zują rysunki 14 i 15?
da na to, że do końca cyklu pracy
cewka nie zdąży
się uwolnić od
energii i na koniec
cyklu będzie przez
nią płynął jakiś
prąd. W następ−
nym cyklu prąd
Rys. 1
13
znów zacznie ro−
snąć i znów cewka
Odpowiedź na to pytanie jest bardzo
zgromadzi jeszcze więcej
ważna. Jeśli to dobrze zrozumiesz, świat
energii, i znów do końca
przetwornic stanie przed Tobą otworem.
cyklu nie zdąży się jej po−
Ponieważ napięcie wyjściowe U2 ma
zbyć. Sytuacja będzie wy−
zostać takie same, a rezystancja obciąże−
glądać mniej więcej tak
nia RL zmniejszy się, więc wyjściowy
jak na rysunku 1
15.
prąd obciążenia IL musi wzrosnąć i na
Może obawiasz się tu
pewno moc przekazywana do obciążenia
jakiegoś podstępu, bo ry−
Rys. 1
15
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
63
od P
Piotra
Rys. 1
18
znaczone są przykładowe przebiegi. Prąd
i tym samym prąd I1 nie jest równy I2.
ację teoretyczną, nie zastanawiając się
płynący przez cewkę możemy podzielić
Zgadza się?
nad rezystancją uzwojenia cewki (pomija−
na dwa prądy: ładowania (I1) i rozładowa−
Oczywiście cały czas zakładamy, że
my ją) i sposobem realizacji klucza
nia (I2). Mają one charakter impulsowy
przetwornica pracuje bez żadnych strat
(w praktyce jest to jakiś tranzystor). Gdy−
i oczywiście interesuje nas nie szczytowa
i P1 = P2.
by cewka i klucz były idealne, a na diodzie
wartość prądu, tylko wartość średnia. Co
nie występowałby spadek napięcia, wte−
oczywiste, wypadkowa wartość tego im−
Transformator
dy przetwornica miałaby sprawność
pulsowego prądu ładowania (I1) musi być
prądu stałego?
100% − cała energia (moc) pobrana ze
równa średniej wartości prądu pobierane−
źródła zasilania byłaby przekazana do ob−
go z baterii (IB). Analogicznie wypadkowa
Uważaj teraz! Rysunki 18 i 19 udowa−
ciążenia. Praktyczne przetwornice nie
wartość impulsowego prądu rozładowa−
dniają, że omawiana przetwornica jest
mają oczywiście sprawności 100%, ale
nia I2 musi być równa prądowi stałemu
swego rodzaju „transformatorem prądu
często sprawność przekracza 90%, co
płynącego przez rezystor RL.
stałego”. W (idealnym) transformatorze
jest świetnym wynikiem. Na razie kwe−
Ktoś mógłby zaprotestować, że prze−
prądu zmiennego także równe są moce
stię sprawności pomijamy, bo chcemy
cież przez cewkę płynie „prąd wspólny”,
pierwotna i wtórna, a stosunek napięć
zgłębić jedynie podstawowe zależności.
czyli prąd wejściowy I1 musi być równy
i prądów zależy od przekładni transforma−
Rozważamy hipotetyczną przetwornicę
prądowi wyjściowemu I2. Takie wyobra−
tora. Dla idealnego transformatora obo−
z idealnymi elementami. Bez żadnych
żenie jest błędne i prowadzi do fałszy−
wiązują zależności
strat. W takiej przetwornicy moc pobrana
wych wniosków.
P1 = U1* I1= U2*I2 = P2
ze źródła zostaje w całości dostarczona
Choć rzeczywiście wartości prądu na
co można zapisać:
do obciążenia. Moc pobierana ze źródła
początku i końcu ładowania oraz rozłado−
U1/U2 = I2/I1
to P1 = U1*IB gdzie IB to średni prąd po−
wania są takie same (ciągłość prądu
O dziwo, podobnie jest w (idealnej)
bierany z baterii. Moc dostarczona do ob−
w cewce), nas interesuje uśredniona
przetwornicy! W klasycznym transforma−
ciążenia to P2 = U2*IL. W przetwornicy
wartość prądu w dłuższym okresie czasu.
torze przekładnia wyznaczona jest sto−
idealnej P1 = U1*IB = U2*IL = P2.
Pamiętaj, że prąd wejściowy zamyka się
sunkiem liczby zwojów uzwojenia pier−
Jeśli rezystancja RL się zmniejsza, to
w innym obwodzie niż prąd wyjściowy.
wotnego i wtórnego. Czy już widzisz, tak
do obciążenia trzeba dostarczyć większą
Pokazuje to rysunek 18. Jeśli masz wąt−
to jest z „przekładnią” przetwornicy za−
moc, czyli przy ustalonym napięciu wyj−
pliwości, dodatkowo narysujemy oddziel−
porowej?
ściowym U2 musi rosnąć prąd wyjściowy
nie prądy ładowania i rozładowania (rysu−
Nie?
IL. Oczywiście jednocześnie będzie rósł
nek 19), to już nie możesz mieć wątpli−
Rysunek 17 wskazuje, że przy małych
prąd wejściowy IB (przy stałym napięciu
wości, że prąd IB jest równy średniej war−
prądach obciążenia (przebiegi a, b) napię−
wejściowym U1). Rysunek 18 pokazuje
tości prądu ładującego I1, a prąd obciąże−
cie wyjściowe regulowane jest współ−
trasy prądów i miejsca występowania na−
nia IL jest równy średniej wartości impul−
czynnikiem wypełnienia impulsów klu−
pięć (nadal pomijamy spadek napięcia na
sowego prądu rozładowania I2. Tym sa−
czujących. Jednak przy większych prą−
diodzie D1). Fioletowym kolorem zazna−
mym prądy IB oraz IL nie muszą być rów−
dach o
obciążenia ((przebiegi c
c, d
d, e
e) w
współ−
czyłem ci prąd wejściowy, czerwonym
ne. Zauważ, że równe są tu tylko moce
czynnik wypełnienia jest stały! Prąd ro−
prąd wyjściowy. Na górze rysunku 18 za−
(P1=P2). Zazwyczaj U1 nie równa się U2
śnie, amplituda jego wahań nie rośnie,
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
65
od P
Piotra
Listy o
od P
Piotra
Rys. 1
19
napięcia są takie same, a współczynnik
rozważ różne przypadki i sprawdź, czy
(rys 17a, b), jak i w trybie, w którym prąd
wypełnienia nie zmienia się.
rzeczywiście wszystko „trzyma się ku−
i energia nie zmniejszaja się do zera (rys.
Nadążasz? Nie?
py”. Przy okazji znajdziesz wyjaśnienie,
17c, d, e)
To jeszcze raz wróć do rysunku 17.
dlaczego w licznych źródłach omawiają−
Z pewnych względów konstruktorzy
Zwróć uwagę na bardzo ważną zależ−
cych temat przetwornic mówi się o mini−
preferują przetwornice, w których w nor−
ność. Nieprzypadkowo w tym odcinku
malnym prądzie obciążenia (bądź o mini−
malnych warunkach pracy prąd cewki nie
i w poprzednim do znudzenia powtarza−
malnej indukcyjności). Teraz już rozu−
maleje do zera. Wtedy bowiem niektóre
łem Ci, że szybkości narastania i opada−
miesz, że w zasadzie dotyczy to prostych
właściwości przetwornicy są lepsze niż
nia prądu wyznaczone są przez napięcia
przetwornic „o stałej przekładni”, nie wy−
w sytuacji, gdy prąd i energia cewki ma−
wejściowe i wyjściowe zgodnie ze wzo−
posażonych w układ regulacji współczyn−
leją do zera. W następnym odcinku przyj−
rem U=L * (∆I/∆t), który w pewnych sytu−
nika wypełnienia wg rysunku 6b. Piszę
rzymy się tej sprawie z jeszcze innej stro−
acjach możemy uprościć do postaci
„w zasadzie”, bo sprawa jest bardziej zło−
ny.
U=L * I / t. Przy ustalonych wartościach
żona. Napięcie wejściowe (napięcie aku−
Piotr G
Górecki
napięć U1 i U2 stosunek czasu ładowania
mulatora czy wy−
do czasu rozładowania zawsze jest stały
prostowane napię−
i nie zależy od wartości prądu obciążenia.
cie sieci) nie jest
Sprawdź to na rysunku 17 oraz wcze−
stabilne i zmienia
śniejszych rysunkach 7...13.
się w granicach
Jaki to ma być współczynnik wypeł−
nawet kilkudzie−
nienia? Pomyśl chwilę...
sięciu
procent,
Tak jest! Współczynnik wypełnienia
więc przy stałej
w trybie z rysunku 17bcd wyznaczony
„przekładni” (czyli
jest nie przez potrzebny prąd czy moc,
stałym współczyn−
tylko przez stosunek napięć wejściowe−
niku wypełnienia)
go i wyjściowego. I oto masz „przekła−
napięcie wyjścio−
dnię” przetwornicy zaporowej!
we również waha−
U1/U2 = ton/toff
łoby się w takich
Jeśli chciałbyś wyliczyć to matema−
samych granicach.
tycznie, samodzielnie rozpisz i prze−
Już z tego wzglę−
kształć wzór na zmianę wartości prądu
du trzeba stoso−
w cewce ∆I w czasie ton i toff.
wać blok płynnej
Czy wzór na „przekładnię” przetworni−
regulacji porównu−
cy odwracającej to tylko ciekawostka?
jący napięcie wyj−
Nie! Do tej pory wydawało Ci się, że
ściowe z jakimś
w każdej przetwornicy niezbędny jest
stabilnym napię−
blok płynnej regulacji współczynnika wy−
ciem odniesienia.
pełnienia impulsów sterujących. Teraz
Przy obecnym sta−
okazało się, że jeśli mielibyśmy stabilizo−
nie techniki nic nie
wane napięcie wejściowe, a chcieliby−
stoi na przeszko−
śmy uzyskać stabilne napięcie wyjścio−
dzie, by stosować
we, to wcale nie musielibyśmy stosować
układy elektronicz−
bloku regulacji współczynnika wypełnie−
ne regulujące płyn−
nia impulsów, takiego jak na rysunku 7
nie współczynnik
(w poprzednim odcinku)! Wystarczyłoby
wypełnienia impul−
zastosować generator o stałym współ−
sów sterujących
czynniku wypełnienia! Ale uważaj z jed−
kluczem (tranzy−
nym zastrzeżeniem: taka prosta prze−
storem). Umożli−
twornica „o stałej przekładni” nie mogła−
wia to poprawną
by prawidłowo pracować przy małych
pracę
zarówno
prądach wyjściowych.
w trybie z całkowi−
Czy to do Ciebie naprawdę dotarło?
tym uwalnianiem
Przeanalizuj to jeszcze raz samodzielnie,
rdzenia z energii
66
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99