Б преобразователи постоянного тока в постоянный

После изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • основные характеристики преобразователей постоянного тока;
• • принципы работы параметрического стабилизатора напряжения и транзисторных преобразователей непрерывного действия;
• • схемы, режимы работы и основные характеристики импульсных регуляторов постоянного тока (понижающего, повышающего и инвертирующего);
• • схемы и характеристики преобразователей постоянного тока с гальванической развязкой входных и выходных цепей;

уметь

• • анализировать работу базовых схем преобразователей постоянного тока;
• • выводить регулировочные характеристики понижающего, повышающего и инвертирующего регуляторов;
• • определять параметры элементов в схемах импульсных регуляторов постоянного тока, обеспечивающие заданные характеристики преобразователя;

владеть

• • методами анализа схем преобразователей постоянного тока;
• • навыками расчета схем импульсных регуляторов постоянного тока.

Основные типы и характеристики преобразователей постоянного тока

Преобразование постоянного тока в постоянный осуществляется в основном для улучшения качества электроэнергии источника постоянного тока. Одновременно при этом могут решаться задачи согласования уровней напряжения источника и потребителей или обеспечения гальванической развязки их цепей. Значительно реже эти задачи решаются без повышения качества электроэнергии. Важнейшим показателем качества является стабильность напряжения (тока) или изменение его величины по заданному закону. На практике в большинстве случаев такие преобразователи используются в качестве регуляторов постоянного тока, являясь основой многих видов вторичных источников питания (ВИП). Следует отметить, что на ранних этапах развития силовой электроники широко использовались регуляторы непрерывного действия, основанные на изменении эквивалентного резистивного сопротивления электронного прибора, как правило, транзистора. Такие регуляторы имели плохие удельные массогабаритные показатели и низкий КПД. С развитием силовой электроники стали использоваться импульсные преобразователи, в которых электронные приборы работают в ключевом режиме, что существенно улучшает их энергетические показатели. В настоящее время регуляторы постоянного тока непрерывного действия используются для питания потребителей малой мощности.

Учитывая широкое практическое применение преобразователей постоянного тока в постоянный для регулирования выходных параметров, при дальнейшем изложении будет чаще использоваться термин регулятор постоянного тока. Этот термин получил большое распространение в отечественной литературе, а также часто используется в зарубежных публикациях по этой тематике. Однако название главы в целом отражает наиболее общий признак рассматриваемых устройств. Регуляторы, осуществляющие только стабилизацию параметров, называются стабилизаторами.

На выходное напряжение или ток регулятора влияют различные факторы: изменение входного напряжения, тока нагрузки, температуры окружающей среды и др. Поскольку эти факторы вызывают изменение выходного напряжения, их называют возмущающими. Точность поддержания напряжения при воздействии различных возмущающих факторов характеризуется соответствующими параметрами стабилизации. Различают оценку качества стабилизации в статических и динамических режимах работы регулятора. В статических (установившихся) режимах работы качество стабилизации выходных параметров принято оценивать следующими показателями.

Стабильность выходного напряжения при изменениях входного характеризуется коэффициентом стабилизации по напряжению, который определяется как.

где t/ux> t/вых ^— установленные входное и выходное напряжения; Д[/_шх — отклонение выходного напряжения, вызванное отклонением входного напряжения Af/_BX.

Следует отметить, что в устройствах постоянного тока, как правило, рассматриваются средние значения напряжений. Так как коэффициент /С_{ст и} в общем случае зависит от t/_BX и С/_ВЬ1Х, то его значения определяют для конкретного режима работы (как правило, номинального), т. е. в формулу (6.1) подставляют номинальные значения /7_ВХ и /У_вых.

Влияние нагрузки на выходное напряжение характеризуется внутренним (выходным) сопротивлением регулятора:

где (AU_nMX), — установившееся отклонение выходного напряжения, вызванное изменением тока нагрузки А/_вых. Значение /?_вых, определенное по формуле (6.2), в статических режимах называют также статическим внутренним сопротивлением. Сопротивление /?_вых зависит также от режима работы. Его определяют для конкретных значений нагрузки и выходного напряжения, обычно равного номинальному значению. В общем случае это сопротивление является нелинейным.

Отклонение выходного напряжения, вызванное изменением температуры элементов регулятора, характеризуют коэффициентом стабилизации по температуре, измеряемой при неизменных значениях входного напряжения и тока нагрузки:

где (А?/_вых)_г — отклонение выходного напряжения, вызванное изменением температуры; АТ — изменение температуры окружающей среды (в установившемся тепловом режиме это соответствует изменению температуры элементов регулятора).

Важным показателем качества электропитания на постоянном токе является коэффициент пульсаций выходного напряжения, определяемый следующим обобщенным выражением:

где U" — переменная составляющая выходного напряжения (пульсация); ?/_ср — среднее (обычно номинальное) значение выходного напряжения.

Уровень пульсации оценивается, но различным методикам. Наиболее распространенными являются следующие определения:

• • действующее значение переменной составляющей (?/, = С/_ _д);
• • полуразность максимального и минимального мгновенных значений выходного напряжения: = (?/_max— t/_min)/2;
• • амплитуда первой гармоники переменной составляющей ({/_ ⁼ U"_im).

Иногда среди показателей качества электроэнергии используют показатели частотного спектра пульсаций.

Для оценки качества регулирования в динамических режимах используют обычно классические методы теории автоматического регулирования [1]. Основными возмущающими факторами в динамических режимах регуляторов постоянного тока принято считать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки. Среди основных показателей качества в этих режимах следует отметить следующие:

• • максимальное и минимальное значения отклонений выходного напряжения в переходных режимах (At/_max, A?/_min);
• • длительность переходного процесса (?_р), рассчитываемая как время от момента начала переходного процесса до момента вхождения в зону допустимого отклонения выходного напряжения в статическом режиме.

При более детальном анализе учитываются такие показатели, как запас устойчивости регулятора, показатель колебательности переходного процесса и др.

Оценка качества регулирования чаще всего проводится на основе частотных методов теории автоматического регулирования, на практике динамические свойства регуляторов иногда оцениваются внутренним динамическим или дифференциальным сопротивлением. Оно определяется аналогично статическому, но формуле (6.2), но при малых отклонениях тока нагрузки в широком частотном диапазоне. При таком определении внутреннее сопротивление является частотно-зависимым и по существу служит частотной характеристикой, связывающей в линеаризованном приближении выходное напряжение с нагрузкой.