Przetwornice - podstawowe konfiguracje -5, ELEKTRONIKA, PRZETWORNICE IMPULSOWE

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Listy od Piotra
Fundamenty Elektroniki
P
rzetwornice impulsowe
Podstawowe konfiiguracjje − przetworniica przepustowa
część 5
W poprzedniim odciinku zadałłem pyta−
niie, czy współłczynniik wypełłniieniia im−
pullsów sterujjących zalleży od prądu, czy
od napiięciia? Czy przeprowadzone rozu−
mowaniie doprowadziiłło do sprzeczno−
ścii? Wyjjaśniiam tym, którzy jeszcze niie
wiiedzą: żadnejj sprzecznościi niie ma!
Rysunki 6a, b, c (w poprzednim nu−
merze) wskazują, że przy małych prą−
dach wypełnienie będzie zależeć od prą−
du obciążenia. Sytuacja taka ma miej−
sce, gdy w części okresu prąd spada do
zera, czyli gdy cewka w części okresu
jest wolna od energii (bezczynna). Moż−
na powiedzieć, że układ automatycznej
regulacji (rys. 2) tak dobiera współczyn−
nik wypełnienia, by przenieść na wyj−
ście potrzebną moc (U2*I
L
).
Natomiast przy większym obciąże−
niu, gdy przez cewkę cały czas płynie
prąd (rysunki 6d, e), współczynnik wy−
pełnienia ustala jedynie napiięciie wyj−
ściowe, a (średni) prąd rośnie lub male−
je w zależności od obciążenia.
Istnieją przetwornice, które nie mają
żadnej automatyki i pracują przy stałym
współczynniku wypełnienia impulsów
sterujących. Nie zapominaj jednak, że
taka praca jest możliwa tylko przy więk−
szych prądach. Właśnie dlatego w nie−
których źródłach znajdziesz wzmianki
o minimalnym prądzie obciążenia (lub
minimalnej indukcyjności). Nie prze−
strasz się tym! Chodzi o to, by prąd
cewki nie malał do zera − wtedy układ
zachowuje się jak “transformator prądu
stałego”. Gdy prąd obciążenia jest
mniejszy, niedociążona przetwornica
przestaje być “transformatorem prądu
stałego” i napięcie wyjściowe wzrasta.
W praktyce wystarczy zastosować
układ automatyki wg rysunku 2, zmienia−
jący wypełnienie impulsów od zera do
100% i wtedy nie ma takich ograniczeń
na prąd minimalny i napięcie wyjściowe.
Jeśli to zrozumiałeś, idziemy dalej.
Przypuszczam, że jeszcze masz pew−
ne wątpliwości odnośnie napięć wyjścio−
wych. Trochę Cię niepokoi fakt, że zmia−
na napięcia wyjściowego U2 zmienia
też napięcie “ładowania” cewki równe
Rys. 7.
Rys. 8.
Rys. 9.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99
41
Listy od Piotra
U1−U2. Nie dziwię Ci się, że o tym my−
ślisz. Intuicyjne przyswojenie sobie wy−
stępujących tu zależności jest rzeczywi−
ście trochę trudniejsze, ale poradzimy so−
bie i z tym.
Na rysunkach 7, 8 i 9 znajdziesz prze−
biegi napięcia i prądu przy różnych
napięciach wyjściowych. Co istotne,
w każdym przypadku napięcie wejścio−
we U1 jest takie samo. W sytuacji z ry−
sunku 7 napięcie wyjściowe U2 jest pię−
ciokrotnie mniejsze od wejściowego.
W drugim przypadku (rysunek 8) napię−
cie U2 jest równe połowie U1, nato−
miast w sytuacji z rysunku 9 napięcie
U2 to 5/6 napięcia wejściowego U1. Na
rysunkach 7a, 8a, 9a pokazałem Ci sytu−
ację w układzie z pewną indukcyjnością
przy jakimś niewielkim prądzie. Na ry−
sunkach 7b, 8b i 9b znajdziesz przebiegi
w układzie z tą samą indukcyjnością, ale
przy prądzie szczytowym zbliżonym do
prądu nasycenia Ip. I wreszcie na rysun−
kach 7c, 8c i 9c znajdziesz przebiegi
w układzie z cewką o znacznie większej
indukcyjności − zauważ, że zmiany prą−
du są mniejsze, ale nachylenie w czasie
ładowania i rozładowania nadal jest pro−
porcjonalne do napięć ładowania (U1−
U2) i rozładowania (U2).
Przeanalizuj teraz bardzo starannie
rysunki 7....9. Powinny one rozjaśnić Ci
całkowicie obraz sprawy.
A my zajmiemy się jeszcze jedną
kwestią. Czy na podstawie rysunków
7...9 potrafiłbyś coś powiedzieć o mocy
przenoszonej (czyli po prostu o mocy
naszej przetwornicy)? Czy ta moc zależy
jakoś od napięcia wyjściowego?
W poprzednich listach wykazałem,
że moc przetwornicy zaporowej silnie
zależy od stosunku napięć wyjściowego
i wejściowego. Okazało się, że prze−
twornicy zaporowej nie warto stosować
przy małych napięciach wyjściowych.
Podałem Ci wzór na teoretyczną moc
maksymalną przetwornicy zaporowej
(przy bardzo dużej częstotliwości)
Pmax = U1*Ip * [U2 / (U2+U1)]
A jak to wygląda w przetwornicy
przepustowej?
Odpowiedź znajdziesz analizując ry−
sunki 7c, 8c i 9c. Przy dużej indukcyjno−
ści (lub dużej częstotliwości pracy) wa−
hania prądu są minimalne − możemy je
pominąć i założyć, że średni prąd na ry−
sunkach c jest równy Ip. Skoncentruj
się! Patrząc na rysunku 7c, 8c, 9c bez
trudu zauważysz, że w każdym przypad−
ku średni prąd ładowania wynosi
I1 = Ip (t
on
/T)
W czasie ładowania cewki, do obcią−
żenia jest już dostarczana moc
P1=U2 *I1 = U2 * Ip (t
on
/T)
Z kolei średni prąd rozładowania wynosi
I2 = Ip (t
off
/T)
Czyli w fazie rozładowania do obcią−
żenia jest dostarczana moc
P2=U2 * I2 = U2 * Ip (t
off
/T)
Moc całkowita
P = P1+P2 = U2 * Ip [(t
on
+t
off
) / T]
P = U2 * Ip
I co, jesteś zdziwiony?
Tu również okazuje się, że czym
większe napięcie wyjściowe, tym więk−
sza moc. Ponieważ w przetwornicy
przepustowej napięcie wyjściowe nie
może być większe od wejściowego,
ostatecznie moc będzie największa, gdy
napięcie wyjściowe będzie (niemal) rów−
ne wejściowemu − moc wyniesie wtedy
Pmax = U1 * Ip
I wszystko zgadza się z intuicją: jeśli
przetwornicę przepustową “otworzymy
na stałe”, napięcie wyjściowe będzie
równe wejściowemu i rzeczywiście
moc dostarczana do obciążenia będzie
równa U1 * Ip.
A może więcej? Co nam szkodzi zwięk−
szyć wtedy prad powyżej Ip? Że rdzeń się
nasyci? A co nas to obchodzi − przecież
tranzystor−klucz jest na stałe otwarty!
Stop! Nie przesadzaj! W praktyce
Twoja przetwornica nigdy nie będzie
“na stałe otwarta”, bo zechcesz praco−
wać przy napięciach wyjściowych
mniejszych niż wejściowe. Dlatego nie
ma sensu rozpatrywać sytuacji, gdy
tranzystor−klucz stale przewodzi.
No tak, ale może nawet gdy
U2<U1uda się coś “zarobić”, zwiększając
prąd powyżej Ip? Wcześniej prosiłem, byś
się zastanowił, czym to grozi. Ponieważ
obciążenie R
L
jest włączone w szereg
z cewką, więc sytuacja jest inna niż prze−
twornicy zaporowej i nie można powie−
dzieć, że “prąd będzie się marnował”.
Jednak przetwornica przestanie być
przetwornicą indukcyjną według rysun−
ku 1 czy 3b, a stanie się przetwornicą
pojemnościową według rysunku 3a. Ro−
lę rezystancji ograniczającej prąd łado−
wania będzie pełnić (niewielka) rezy−
stancja uzwoje−
nia cewki,
a sprawność
znacznie spa−
dnie. W skrajnym
przypadku duży
prąd ładowania
(ograniczony
niewielką rezys−
tancją cewki) mo−
że uszkodzić
tranzystor−klucz.
Zamykamy
sprawę: nawet
gdyby tranzystor
się nie uszkodził, także w przetwornicy
przepustowej nie powinniśmy pracować
przy prądach większych od prądu nasy−
cenia cewki Ip, a moc maksymalna nie
przekroczy
P = U2 * Ip
Czy jednak nie zgubiłeś się w po−
wyższych rozważaniach? Co to za moc?
Jest to
teoretyczna
moc maksymal−
na, jaką można “wydusić” z przetworni−
cy przy następujących założeniach:
− pomijamy wszelkie straty (spadek
napięcia na diodzie D, rezystancji cewki
i napięcie nasycenia tranzystora);
− zakładamy, że średni prąd płynący
przez cewkę jest równy Ip (co jest bli−
skie prawdy tylko przy bardzo dużej czę−
stotliwości pracy albo przy bardzo dużej
indukcyjności − przebieg prądu wygląda
wtedy mniej więcej jak na rysunku 10a).
W praktyce nie zwiększamy
nadmiernie indukcyjności i nie pracuje−
my przy bardzo dużych częstotliwo−
ściach. Wtedy oczywiście moc jest
mniejsza. W granicznym przypadku,
jak na rysunku 10b, gdy prąd chwilowo
spada do zera, przenoszona moc jest
o połowę mniejsza od wcześniej wyli−
czonej (i dodatkowo pomniejszona
o straty w elementach przetwornicy).
Patrząc na rysunek 10 nie zastanawiaj
się, jakiej konkretnie częstotliwości
odpowiada ta sytuacja, lub jaka jest in−
dukcyjność (indukcyjności) − to nie ma
znaczenia (podobnie, jak wartości na−
pięć). Chodzi tylko o kształt prądu,
a ściślej o jego
wartość średnią
− nie
masz wątpliwości, że przy tej samej
wartości Ip średnia wartość prądu z ry−
sunku 10a jest niemal dwukrotnie
większa niż tego z rysunku 10b.
Przypuśćmy teraz, że chcemy zbu−
dować przetwornicę zaporową, a wła−
ściwie zasilacz impulsowy o regulowa−
nym napięciu wyjściowym. Mając ja−
kąś cewkę o prądzie nasycenia Ip oraz
indukcyjności L musimy dobrać czę−
stotliwość pracy tak, by w najgorszych
warunkach prąd nie przekroczył warto−
Rys. 10.
42
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99
Listy od Piotra
ści Ip. Chyba już zauważyłeś, że prąd
rośnie tym szybciej, im większe jest
napięcie ładowania (równe U1−U2) −
zobacz rysunki 4 i 7...9. Gdy napięcie
wyjściowe U2 jest bardzo małe, napię−
cie ładowania jest zbliżone do U1 (rys
7). Znając Ip, L oraz U1 możesz już
obliczyć maksymalny czas włączenia
tranzystora (t
on
) przy bardzo małych
napięciach wyjściowych. Przekształca−
jąc znany Ci dobrze wzór otrzymasz:
t
onmax
= L * Ip / U1
I co to jest za czas? Czas ten doty−
czy tylko przypadku, gdy U2 jest bli−
skie zeru. Sytuacja wygląda wtedy
mniej więcej tak, jak na rysunku 7.
Przypuśćmy, że obliczyłbyś czas t
on
.
Niewiele to daje. Gdy czas t
on
jest
krótki, na pewno (bardzo) długi będzie
czas t
off
, bo napięcie U2 jest bardzo
małe. Przy większym napięciu wyj−
ściowym U2 (a tym samym mniejszym
napięciu ładowania U1−U2) czas t
on
mógłby być znacznie dłuższy, za to
krótszy będzie czas t
off
.
Aby znaleźć najgorszy przypadek
należałoby napisać wzory na t
on
it
off
,
znaleźć wzór na T (okres), potem na
f (częstotliwość) i zbadać go w funkcji
U2/U1. Jeśli ktoś chce, niech to zrobi −
po przekształceniach trzeba będzie
zbadać funkcję
y=−x
2
+ x
Okaże się, że najgorszy przypadek
występuje przy U2 = 0,5 U1. Poniekąd
potwierdza to rysunek 8b, ale ten rysu−
nek to żaden dowód. W każdym razie
dla tego najgorszego przypadku
(U2=0,5U1) minimalna częstotliwość
przetwornicy wynosi
fmin =
U1
4 LIp
Gdyby częstotliwość była mniejsza
(czasy dłuższe), prąd nadmiernie wzro−
śnie i rdzeń cewki się nasyci.
Gdyby przetwornica miała praco−
wać przy stałym napięciu wyjściowym
U2, innym niż 0,5U1, wtedy minimalna
częstotliwość mogłaby być mniejsza.
W praktyce i tak należy pracować
z możliwie dużą częstotliwością (ogra−
niczoną przez straty histerezy rdzenia
i straty przełączania tranzystora), dla−
tego do wstępnych szacunkowych
obliczeń należy wykorzystać wzór
fmin =
4LIp
i wybrać częstotliwość pracy więk−
szą niż tak wyliczona.
Jak wykazano wcześniej, przy czę−
stotliwości minimalnej moc przetwor−
nicy nie przekroczy
P = 0,5 U2 * Ip
Oczywiście częstotliwość może,
i w miarę możliwości powinna być
większa − wtedy zmiany prądu będą
mniejsze, przebiegi będą podobne jak
na rysunkach 7c, 8c, 9c, 10a i moc
przenoszona będzie o kilkadziesiąt
procent większa niż przy częstotliwo−
ści minimalnej (teoretycznie
P=U2*Ip).
Mam nadzieję, że cały czas nadążasz
za mną. Jeśli jednak masz jakiekolwiek
kłopoty ze zrozumieniem całości mate−
riału, przeanalizuj dokładnie ten i po−
przednie odcinki, a jeśli i to nie pomo−
że, napisz do mnie (na adres redakcji).
W razie potrzeby wrócimy do tematu.
Tyle na temat przetwornicy przepu−
stowej. W następnym odcinku zapo−
znam Cię z przetwornicą podwyższającą.
U1
Piiotr Góreckii
ciąg dalszy ze strony
40
tranzystorów, więc oba tranzystory są
na granicy przewodzenia (płynie przez
nie jakiś maleńki prąd spoczynkowy. Li−
niowość takiego symetrycznego wtórni−
ka jest znacznie lepsza, niż poprzednie−
go układu, jednak też nie jest rewelacyj−
na. Ponadto trudno kontrolować drobne
różnice i (temperaturowe) zmiany napięć
diod i napięć U
BE
tranzystorów, które bę−
dą powodować znaczne zmiany prądu
płynącego przez tranzystory (zwłaszcza
przy różnych temperaturach diod i tran−
zystorów). Dlatego w praktyce bywa
czasem stosowany sposób z rysunku
d
,
gdzie dodatkowe rezystory stabilizują
punkt pracy tranzystorów i wyznaczają
prąd spoczynkowy. Oczywiście suma
spadków napięcia na tych niewielkich
rezystorach jest równa napięciu przewo−
dzenia dwóch dodatkowych diod. Zmie−
niając wartości R
E1
iR
E2
można ustalić
potrzebny w danym zastosowaniu prąd
spoczynkowy.
W praktycznych układach taki stopień
wyjściowy jest sterowany “od dołu”
przez tranzystor NPN. Wtedy zamiast
czterech diod, wystarczą trzy wg rysun−
ku e. A jeszcze częściej do ustalenia
punktu pracy tranzystorów wyjścio−
wych, zamiast diod, wykorzystuje się
układ z rysunku f. Zastanów się nad dzia−
łaniem tranzystora i potencjometru. Już
rysunki d, e sugerują, iż zastępuje on kil−
ka diod. W samej rzeczy − potencjometr
umożliwia płynną regulację “liczby
diod”, a tym samym płynną regulację
prądu spoczynkowego. A najważniej−
sze, że taka “zwielokrotniona dioda”
ma charakterystyki termiczne podobne
jak zestaw diod. Ten dodatkowy tranzy−
stor montuje się blisko tranzystorów
wyjściowych (na radiatorze) i wtedy
przy zmianach temperatury tranzysto−
rów prąd spoczynkowy prawie się nie
zmienia. W stopniach większej mocy
spotyka się darlingtony, zwykłe i kom−
plementarne − zobacz rysunek g, a tak−
że rysunek h, gdzie oba wyjściowe tran−
zystory (mocy) są typu NPN. Tranzystor
sterujący może być umieszczony
“u góry”, jak na rysunku g, albo “na do−
le”, jak na rysunkach e, f, h. Zamiast re−
zystora dość często stosowane bywają
źródła prądowe, jak na rysunku h.
W praktyce zwykle dodaje się jeszcze
obwody ograniczania prądu, jak na ry−
sunku ii. Wtedy nawet przy zwarciu wyj−
ścia, prąd maksymalny zostanie ograni−
czony do wartości około 0,6V/R
E
.
Przy okazji drobna dygresja. Jeśli
w spoczynku przez tranzystory płynie
duży prąd, a w czasie pracy prąd żad−
nego z tranzystorów nie spada do ze−
ra, mówimy o pracy w klasie A (np. ry−
sunek 16a). Gdy w spoczynku tranzy−
story są na progu przewodzenia,
a prąd pojawia się dopiero po pojawie−
niu się sygnału, mamy do czynienia
z klasą B (np. rys. 16c). Gdy w spo−
czynku prąd nie płynie i nawet przy
małych sygnałach tranzystory są zatka−
ne, mamy do czynienia z klasą C (np.
rys. 16b). Klasa A oznacza małe znie−
kształcenia, ale duże straty mocy.
Oszczędne klasy B i C wiążą się nie−
stety z dużymi zniekształceniami. Dla−
tego w praktyce wyznacza się pracę
stopnia w głębszej lub płytszej pośre−
dniej klasie AB, stosując układy z ry−
sunków 16d...i ustalając kompromiso−
wo prąd spoczynkowy. Czym większy
ten prąd, tym mniejsze zniekształce−
nia. Oczywiście, są to tylko ogólne za−
sady i w rzeczywistości ustalając war−
tość prądu spoczynkowego należy
uwzględnić szereg innych czynników.
Takie rozważania wykraczają jednak
poza ramy niniejszego cyklu.
W następnym odcinku będą infor−
macje o wzmacniaczu różnicowym
oraz...
duża niespodzianka.
Piiotr Góreckii
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99
43
[ Pobierz całość w formacie PDF ]