6. КОНВЕРТОРИ НАПРУГИ

Призначення та класифікація конверторів напруги

Конвертори, або перетворювачі постійної напруги (ППН) − це пристрої, які призначені для перетворення постійної напруги однієї величини в постійну напругу іншої величини. Вони призначені для живлення навантаження постійною напругою, що відрізняється від напруги джерела живлення.

За будовою конвертори поділяються на:
а) двохланкові ППН, що складаються з автономного інвертора, який перет-ворює постійну напругу в змінну, підвищуючого або знижуючого трансфор¬матора і випрямляча;
б) безпосередні ППН, які виконуються на базі переривників.

За схемною реалізацією конвертори поділяються на ПНП із самозбудженням та імпульсні перетворювачі.

Методи, що лежать в основі принципу дії конверторів напруги

Принцип регулювання напруги на виході конвертора змінюють тривалістю включеного стану ключового елемента К (рис. 1, а). Регулювання напруги на виході конвертора здійснюється за допомогою зміни параметрів послідовності імпульсів керування. Для зміни параметрів імпульсів використовують широтно-імпульсний або частотно-імпульсний способи регулювання.

Рис. 1. Принцип регулювання напруги навантаження

Метод широтно-імпульсного регулювання полягає у тому, що при сталому періоді Т надходження імпульсів змінюється їх тривалість (ширина) t_i. Таким чином середнє значення напруги навантаження (рис. 1, б) визначається за виразом

де U − напруга джерела постійного струму;
t_i − тривалість імпульсу;
T − період надходження імпульсів;
k_з = t_i/T − коефіцієнт заповнення імпульсів, kз = (0…1).

Змінюючи k_з, можна змінювати U_d від нуля (при k_з = 0) до U (при k_з = 1).

При частотно-імпульсному регулюванні змінюється частота (період) надходження імпульсів при незмінній тривалості імпульсу t_i. Середнє значення напруги при цьому становить

де f − частота слідування імпульсів.

Найбільш поширеним є метод широтно-імпульсного регулювання. Регулювання напруги, при якому частота подачі імпульсів на навантаження постійна, але змінюється їх тривалість називають широтно-імпульсною модуляцією (ШИМ).

Знижуючі конвертори напруги

Таким чином, напругу на навантаженні можна регулювати від 0 до U. Якщо потужність навантаження не перевершує 100 кВт, використовують однотактні перетворювачі, коли між джерелом живлення та навантаженням вмикається транзисторний або тиристорний ключ, робота якого керується системою формування імпульсів.

В практичних схемах між ключем і навантаженням вмикають згладжувальний LC-фільтр. На рис. 2 зображено схему однотактного імпульсного перетворювача напруги з тиристорним ключем і згладжувальним фільтром.

Рис. 2. Схема однотактного імпульсного знижуючого конвертора (а) і часова залежність струму навантаження (б)

Під час вмикання тиристора VS навантаження живиться від джерела U, а в проміжок вимкненого часу тиристора струм по навантаженню тече за рахунок енергії, що була накопичена в дроселі Lф і конденсаторі Сф та замикається через діод VD. В інший момент часу процес повторюється. Робоча частота перетворю-вача визначається за умовою

де Δ = U_d.max/U_d.min − задана глибина регулювання напруги на навантаженні;
t_y − час увімкнення електронного ключа;
t_в − час вимкнення електронного ключа.

Підвищуючі конвертори напруги

На рис. 3 наведена схема підвищуючого конвертора. Принцип його роботи складається таким чином. Під час вмикання транзистора VT, струм через дросель L зростає. Під час вимкнення транзистора за рахунок енергії, накопиченій в індуктивності, під дією суми напруг джерела живлення U і е.р.с. самоіндукції через діод VD заряджається конденсатор C , паралельно якому підключене навантаження. В інший момент часу процеси повторюються. В цій схемі, на різницю від попередньої, можна тільки підняти напругу.

Рис. 3. Схема імпульсного підвищуючого конвертора

Середнє значення струму навантаження

де І – струм, що споживається від джерела живлення.

Середнє значення напруги при цьому становить

З (5) слідує можливість безконечного збільшення напруги на навантаженні. Але через зростання втрат в дроселі (він не може бути виконаний без втрат) при збільшенні k_з отримати дуже велику напругу неможливо. Звичайно збільшення напруги відбувається не більше в 3-4 рази.

Характеристики конверторів напруги

Регулювальна характеристика конвертора – це залежність напруги на наван-таженні від відносної тривалості включеного стану ключового елемента.

Таким чином рівняння регулювальної характеристики у відносних одиницях
– для знижуючого конвертора

– для знижуючого конвертора

– для підвищуючого конвертора

На рис. 4 наведені регулювальні характеристики конверторів.

Рис. 4. Регулювальні характеристики конверторів

Зовнішня характеристика конвертора напруги – це залежність середнього значення напруги на навантаженні від струму навантаження при постійній відносній тривалості включеного стану ключового елемента (рис. 5), тобто

де І_кз – струм короткого замикання конвертора.

Рис. 5. Зовнішні характеристики конверторів

Основним енергетичним показником конверторів напруги є к.к.д. η, який залежить як від навантаження І_d, так і від коефіцієнту заповнення k_з:

Залежності к.к.д. наведені на рис. 6. Конвертори мають достатньо високий к.к.д. при більших значеннях k_з. При малих значеннях k_з к.к.д. суттєво знижується.

Рис. 6. Залежності к.к.д. від k_з (а) і струму І_d (б)

Розрахунок параметрів конвертора напруги

На рис. 7 наведена принципова схема знижуючого конвертора напруги, який складається з мультивібратора, регулюючого елемента і згладжувального фільтра. Мультивібратор реалізований на операційному підсилювачі DА, вихідна напруга якого через транзистор VТ1 керує регулюючим елементом. Останній виконаний на транзисторі VТ2. На елементах L і С2 реалізований згладжувальний фільтр. Діод VD2 призначений для створення контуру протікання струму навантаження при закритому регулюючому транзисторі VТ2.