Исследование импульсного регулятора напряжения

Цель работы

 

Исследование физических процессов в схемах понижающих, повышающих и инвертирующих импульсных регуляторов напряжения. Экспериментальное определение регулировочных характеристик и энергетических показателей регуляторов.

 

Литература

 

1 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –4–е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с., ил.

2 Иванов–Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС. Учебник для вузов по специальности “Радиотехника”. – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1991. – 272 с.

3 Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др. Под ред. Ю.Д. Козляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 328 с.

Пояснения к работе

 

Импульсные регуляторы постоянного напряжения (ИРПН, рисунок 8.1) делятся на понижающие (U₂ меньше U₁); повышающие (U₂ больше U₁ ) и инвертирующие (U₂ имеет произвольную величину, но обратно U₁

по знаку).

Все три типа ИРПН состоят из индуктивности (накопительного дросселя)

L, регулирующего транзистора VT, работающего в ключевом режиме, обратного диода VD, конденсатора фильтра C и схемы управления ключом VT. Длительность сигнала управления зависит от уровня напряжения поступающего на вход схемы управления с делителя напряжения RD1, RD2 от источника постоянного напряжения (U_упр). Отличия перечисленных схем регуляторов состоят в расположении регулирующего транзистора в силовой цепи и алгоритме работы, заложенном в схему управления. Наиболее широко известен ИРПН понижающего типа, в котором индуктивность L одновременно является элементом сглаживающего LC–фильтра.

Схема понижающего импульсного регулятораприведена на рисунке 8.1, а. В этой схеме используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R_H. Для сглаживания пульсаций параллельно нагрузке включен конденсатор фильтра С. Транзистор VT включен между источником питания U₁ и накопи­тельной индуктивностью L. Схема управления включает или выключает транзис­тор в зависимости от значения напряжения U_упр. При размыкании транзистора VT ток индуктивности L протекает через диод VD, который обеспечивает непрерывность тока в индуктивности L и исключает появление опасных выбросов напряжения на транзисторе VT в момент коммутации.

 

 

Рисунок 8.1 – Схемы импульсных регуляторов напряжения

а) понижающего; б) повышающего; в) инвертирующего типов

 

 

В зависимости от значения параметров схемы возможны два режима работы: непрерывного и прерыви­стого тока индуктивности.

Рассмотрим режим непрерывного токаиндуктивности L (рисунок 8.2, а ). Для

обеспечения режима непрерывного тока индуктивность должна выбираться из условия:

. (8.1)

Здесь T – период коммутации ключа; - коэффициент заполнения.

При включении транзистора VT в индуктивности Lначинает возрастать ток, достигая своего максимального значения к моменту выключения транзистора VT. Накопление энергии в индуктивности Lи кон­денсаторе фильтра С приводит к небольшому увеличению напряжения на нагруз­ке.

 

Рисунок 8.2 – Временные зависимости тока и напряжения в дросселе в режиме непрерывного (а) и прерывистого тока (б)

 

По сигналу, поступившему от схемы управления, транзистор VT запирается, а диод VD отпирается. Энергия, накопленная в индуктивности L и конденсаторе С, начинает передаваться в нагрузку и ток i_L начинает уменьшаться по линейному закону. Этот спад продолжа­ется вплоть до нового отпирания транзистора VT.

Напряжение на индуктивности в период накопления энергии равно (U₁-U₂). В мо­мент коммутации ключа VT напряжение на индуктивности скачком принимает зна­чение – U₂. Полный перепад напряжения на индуктивности, таким образом, равен U₁. Напряжение на нагрузке пропорционально коэффициенту заполнения

. (8.2)

При уменьшении величины индуктивности относительно значения, определен­ного по условию (8.1), происходит переход в режим прерывистого тока. Форма тока в этом режиме приведена на рисунке 8.2, б. Когда ток в индуктивности спадает до нулевого значения, диод VD запирается, а сигнал отпирания транзистора VT еще не поступил, поэтому напряжение и ток в индуктивности некоторое время равны нулю. В таком режиме ухудшается использование ключевого транзистора, возрастает требуемая емкость конденсатора фильтра, увеличиваются пульсации тока в индуктивности и в нагрузке.

В ИРПН повышающего и инвертирующего типов индуктивность L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения. Сглаживание обеспечивает конденсатор С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

Схема повышающего импульсного регулятора приведена на рисунке 8.1, б. В этой схеме индуктивность включена последовательно с источником питания U₁, а диод VD последовательно с нагрузкой. При включении транзистора VT индуктивность L подключается непосредственно к источнику питания U₁. Ток i_L начинает линейно нарастать, пока из схемы управления не поступит сигнал на запирание транзистора VT.

После запирания транзистора VT энергия, накопленная в индуктивности L, через открытый диод VD поступает в нагрузку, подзаряжая конденсатор фильтра С. В этом режиме напряжение на L складывается с напряжением источника питания, в результате чего конденсатор фильтра С заряжается до напряжения U₂>U₁. Формы тока и напряжения на индуктивности L приведены на рисунке 8.3, а.

 

Рисунок 8.3 – Временные зависимости тока и напряжения на индуктивности для повышающего (а) и инвертирующего (б) регуляторов напряжения

 

Схема инвертирующего импульсного регулятора приведена на рисунке 8.1, в. В этой схеме последовательно с источником питания U₁ включен транзистор VT, а диод VD включен последовательно с нагрузкой R_H.

При включенном транзисторе VT индуктивность L подключается непосредственно к источнику питания U₁ и ток в ней начинает линейно нарастать (рис. 8.3,б). Рост тока происходит до тех пор, пока не поступит сигнал из схемы управления на запирание транзистора VT. При этом, индуктивность L подключится параллельно нагрузке и конденсатору фильтра С. Поскольку ток i_L после коммутации транзистора VT не меняет своего направления, то полярность напряжения на нагрузке будет противоположна полярности источника питания, т. е. происходит инверсия полярности.

Регулировочные характеристики импульсных регуляторов показывают зависимость относительного выходного напряжения регулятора от коэффи­циента заполнения импульсов U₂/U₁=f(g). Для понижающего регулятора напряжения регулировочная характеристика в соответствии с формулой (8.2) имеет вид:

(8.3)

где – отношение сопротивления дросселя r_L к сопротивлению нагрузки R_Н. Она имеет линейный характер, а её наклон зависит от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки (рисунок 8.4, а). Напряжение на нагрузке в таком регуляторе не может быть больше напряжения источника, а линейность регулировочной характеристики обеспечивает устойчивую работу стабилизатора на основе такого регулятора.

Регулировочная характеристика повышающего регулятора приведена на рисунке 8.4, б и определяется уравнением

.(8.4)

 

Рисунок 8.4 – Регулировочные характеристики импульсных регуляторов напряжения: понижающего (а), повышающего (б), инвертирующего (в) типа

 

В идеальном случае при s = 0 регулировочная характеристика определяется формулой U₂/U₁ = (1–g)^-1, и при g®1 U₂ устремляется в бесконечность. При нали­чии потерь в дросселе (а также в диоде и транзисторе) на регулировочной харак­теристике будет экстремум, значение которого зависит от величины s, как показано на рисунке 8.4, б.

Регулировочная характеристика инвертирующего регулятора без учета потерь в элементах схемы (т. е. при r_L=0 ) определяется выражением

(8.5)

Очевидно, что такой регулятор может работать как с повышением, так и с понижением выходного напряжения (рисунок 8.4, в).

Оптимальным алгоритмом управления ключом VT для ИРПН любого типа является применение широтно – импульсной модуляции (ШИМ), поскольку:

• обеспечивается высокий КПД;
• частота пульсации на нагрузке является неизменной;
• реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИРПН, что исключает опасность возникновения пульсаций с частотами биений при питании нескольких ИРПН от общего первичного источника постоянного тока.

Схема управления каждого отдельного ИРПН включают в себя делитель напряжения, источник эталонного напряжения, сравнивающий элемент, усилитель рассогласования, задающий генератор и пороговое устройство, осуществляющее формирование модулированных по длительности импульсов (широтно – импульсный модулятор – ШИМ). Современные схемы управления выпускаются в виде микроконтроллеров (МК). МК могут быть и со встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) на входе. Тогда единственным элементом в схеме управления помимо МК будет делитель напряжения, что приводит к снижению стоимости устройств. Достоинством МК является и возможность в ходе работы изменять алгоритм управления.

Например, можно легко изменить частоту ШИМ в зависимости от чувствительности нагрузки к пульсациям выходного напряжения. Более подробно о схемах управления можно узнать в рекомендуемой литературе.

 

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №8 состоит из трех отдельных работ:

- Исследование регулятора напряжения понижающего типа (Файл ИРНпониж);

- Исследование регулятора повышающего типа (Файл ИРНповыш);

- Исследование регулятора инвертирующего типа (Файл ИРНинверт).