Przetwornice - podstawowe konfiguracje -2.pdf - Przetwornice impulsowe - waclaw.sz

Listy od Piotra

Fundamenty Elektroniki

P rzetwornice impulsowe

Podsttawowe konffiigurracjje − prrzettworrniica zaporrowa

część 2

W poprzedniim odciinku zaczęlliiśmy

omawiiać pracę przetworniicy odwracajją−

cejj. Podane tam informacjje niie wyczer−

pałły zagadniieniia. Najjważniiejjsze jeszcze

przed Tobą.

musi być większa. Częstotliwość jest sta−

ła, więc zwiększyć się musi porcja energii

przekazywana na wyjście w każdym cy−

klu. Czy to możliwe?

Jeśli przy stałej częstotliwości zwięk−

szymy nieco czas włączenia klucza, to co

prawda zwiększymy ilość energii zgroma−

dzonej w rdzeniu, ale jednocześnie

skrócimy czas rozładowania cewki. więc

cewka nie zdąży się rozładować.

I co? Trudne, prawda?

Zastanówmy się jednak, jak zachowa

się układ, gdy blok regulacyjny nieco

zwiększy współczynnik wypełnienia im−

pulsów. Popatrz na rrysunek 14. Napięcie

wejściowe U1 nadal wynosi 10V, a więc

szybkość narastania prądu będzie

taka sama jak na rysunku 13, bo

przecież jest wyznaczona przez na−

pięcie wejściowe

[U=L * (

Do tej pory analizowaliśmy sytuację,

gdy obciążenie przetwornicy było niewiel−

kie. Okazało się, że przy dużych rezystan−

cjach obciążenia, prąd wcewce płynął tyl−

ko przez część cyklu. W pozostałej części

cyklu prąd przez cewkę nie płynął, czyli

cewka była wolna od energii. Rozstaliśmy

się pytaniem, co się stanie, gdy w sytua−

cji pokazanej na rrysunku 13 jeszcze bar−

dziej zmniejszymy rezystancję obciążenia R L .

Rys. 14

sunki 14 i 15 pokazują hipotetyczną sytu−

ację, gdy napięcie wyjściowe (i szybkość

opadania prądu) są podobne jak na wcze−

śniejszych rysunkach 6−13, a tymczasem

wygląda na to, że przetwornica „nie wy−

rabia się”, wiec ilość przekazywanej

energii (moc) jest za mała i chyba napię−

cie wyjściowe powinno się zmniejszyć.

Słusznie!

Ale to niczego nie zmienia. Jeśli napię−

cie wyjściowe jest mniejsze, to...

no właśnie – zmniejsza się szybkość

opadania prądu, na koniec cyklu prąd jest

jeszcze większy i w rdzeniu pozostaje je−

szcze więcej energii. Mam nadzieję, że

nadążasz...

Teraz kluczowe pytanie: czy to dobrze,

czy źle, że prąd w cewce rośnie jak poka−

zują rysunki 14 i 15?

t)].

Na chwilę załóżmy, że napięcie

wyjściowe U2 nie zmieniło się,

więc szybkość opadania nadal jest

taka jak na rysunku 13. Ponieważ

czas zwarcia klucza i czas ładowa−

nia cewki został zwiększony ko−

sztem czasu rozładowania, więc

cewka w czasie jednego cyklu

zgromadzi więcej energii, ale nie−

stety nie zdąży tej energii oddać.

We wszystkich przypadkach z ry−

sunków 7−13 prąd na końcu cyklu

pracy był równy zeru. Teraz wyglą−

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

znów zacznie ro−

snąć i znów cewka

zgromadzi jeszcze więcej

energii, i znów do końca

cyklu nie zdąży się jej po−

zbyć. Sytuacja będzie wy−

glądać mniej więcej tak

jak na rrysunku 15.

Może obawiasz się tu

jakiegoś podstępu, bo ry−

Rys. 6a.

Rys. 13

Odpowiedź na to pytanie jest bardzo

ważna. Jeśli to dobrze zrozumiesz, świat

przetwornic stanie przed Tobą otworem.

Ponieważ napięcie wyjściowe U2 ma

zostać takie same, a rezystancja obciąże−

nia R L zmniejszy się, więc wyjściowy

prąd obciążenia I L musi wzrosnąć i na

pewno moc przekazywana do obciążenia

Rys. 15

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

Listy od Piotra

I wobu przypad−

kach jest taki sam, to co

z ilością gromadzonej przy

tym energii? Czy wobu wy−

padkach ilość przekazywa−

nej na wyjście energii jest

taka sama? Przekonaj się

sam.

Czy na przykład przy

wzroście prądu w cewce

z 0 do 1 ampera zgroma−

dzona w cewce energia

zwiększy się o tyle samo,

co przy wzroście z 9 do 10 amperów?

W obu przypadkach przyrost prądu jest

taki sam i wynosi 1amper...

Już zatrybiłeś?

No właśnie! Wszystko wyjaśnia wzór

E = (L*I 2 ) / 2 = 0,5L * I 2

W pierwszym przypadku w cewce

o jakiejś indukcyjności L przy prądzie 0

amperów nie ma energii. Wzrost prądu

do 1A spowoduje zgromadzenie się

w każdym cyklu energii (jednostki nie są

w tej chwili ważne):

E1 = 0,5L * 1 2 = 0,5L*1

I taka porcja energii może być przeka−

zana na wyjście.

Natomiast w drugim przypadku przy

prądzie 9A na początku cyklu jest już

zgromadzona energia:

E9 = 0,5L * 9 2 = 0,5L*81

Wzrasta ona do

E10 = 0,5L * 10 2 = 0,5L*100

czyli o

0,5L*100 − 0,5L*81 = 0,5L*9

Mimo, że zmiany prądu

i wyjściowym, przy zmniejszaniu rezy−

stancji obciążenia przebiegi będą zmie−

niać się, jak pokazuje to rrysunek 17. Do−

kładnie przeanalizuj przebiegi i zastanów

się, czy wszystko jest jasne.

Może jednak papierowe wyliczenia do

Ciebie nie przemawiają i nadal nie czu−

jesz tego intuicyjnie (zwłaszcza sytuacji

na rysunku 17d i 17e). Nie dziwię Ci się!

Gdyby to było takie oczywiste, przetwor−

nice nie byłyby otoczone aurą tajemniczo−

ści.

Dlatego poświęćmy tej sprawie wię−

cej uwagi.

Kiedyś porównałem pracę przetworni−

cy do przelewania wody z jednego duże−

go naczynia do drugiego za pomocą bu−

telki. W najprostszym przypadku, pod−

czas każdego cyklu nabieramy jakąś ilość

wody i całą tę wodę przelewamy do dru−

giego naczynia. Na koniec cyklu butelka

jest pusta. Teraz wyszło na jaw, że nie

warto za każdym razem wylewać z butel−

ki wszystkiej wody. Opłaci się pozosta−

wiać część tej wody w butelce, a za to

zwiększyć ilość cykli. Okazało się, że ta

„butelka” wprzetwornicy indukcyjnej ma

dziwne właściwości, nie do końca znajdu−

jące odpowiednik hydrauliczny. Mianowi−

cie jeśli butelka (cewka) zawiera dużo

wody (energii), to nalewanie i wylewanie

tej wody następuje zdecydowanie szyb−

ciej niż wprzypadku, gdy butelka jest pra−

wie pusta. Niestety, analogia hydraulicz−

na okazała się zbyt prosta, żeby wyjaśnić

szczegóły. Przy analizie pracy przetworni−

cy musimy uwzględnić, że liniowy wzrost

prądu powoduje zwiększenie energii

w cewce proporcjonalne do drugiej potę−

gi prądu.

Rys. 16

Na pierwszy rzut oka wygląda, że wła−

śnie weszliśmy w beznadziejną sytuację

i przetwornica przestała pełnić swoje

funkcje, bo nie można przekazać na wyj−

ście potrzebnej ilości energii, a prąd ro−

śnie...

Czy zgodzisz się z wnioskiem, że prąd

będzie rósł, aż rdzeń wejdzie w nasyce−

nie, co jeszcze bardziej pogorszy sytua−

cję? A może w pewnej chwili prąd prze−

stanie rosnąć i ustabilizuje się na jakiejś

wartości, jak pokazuje rrysunek 16? Ale

niby dlaczego miałby przestać rosnąć?

Jeśli rysunek 16 pokazuje rzeczywiste

przebiegi, znaczyłoby to, że przy więk−

szym prądzie wytworzy się stan równo−

wagi. Czas ładowania (włączenia klucza)

i czas rozładowania byłyby takie same jak

na rysunku 13. Jednak ilość energii prze−

kazywana zwejścia na wyjście wkażdym

cyklu musiałaby być teraz większa, niż

w sytuacji z rysunku 13. Zauważ jednak,

że szybkość wzrostu i opadania prądu

musiałyby być takie same jak na rysunku

13, bo przecież są wyznaczone przez na−

pięcia: wejściowe iwyjściowe. Także am−

plituda zmian prądu (

I wynoszą

też 1A, jest to 9−krotnie więcej niż

w pierwszym przypadku! Czyli w drugim

przypadku na wyjście może być przekaza−

na 9−krotnie większa porcja energii

(i moc).

Mamy więc rozwiązanie zagadki.

Okazało się, że w naszej przetwornicy

przy ustalonych napięciach wejściowym

I) miałaby być taka

sama jak na rysunku 13. Czyli w sytuacji

z rysunku 16 podczas każdego cyklu prąd

wzrastałby o tyle samo, co w sytuacji

z rysunku 13, zgodnie z wzorem

U=L * (

Prąd i moc

Ponieważ rzeczywiście nie jest to ła−

twe do intuicyjnego pojęcia, a nie nasu−

wa mi się żadna prosta i dokładna analo−

gia, jeszcze raz wróć do rysunków 17 i

13. Cały czas rozważamy tu idealną sytu−

t).

Rys. 17

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

Co o tym sądzisz?

Jeśli przyrost prądu

wcewce

Listy od Piotra

Rys. 18

ację teoretyczną, nie zastanawiając się

nad rezystancją uzwojenia cewki (pomija−

my ją) i sposobem realizacji klucza

(w praktyce jest to jakiś tranzystor). Gdy−

by cewka iklucz były idealne, ana diodzie

nie występowałby spadek napięcia, wte−

dy przetwornica miałaby sprawność

100% − cała energia (moc) pobrana ze

źródła zasilania byłaby przekazana do ob−

ciążenia. Praktyczne przetwornice nie

mają oczywiście sprawności 100%, ale

często sprawność przekracza 90%, co

jest świetnym wynikiem. Na razie kwe−

stię sprawności pomijamy, bo chcemy

zgłębić jedynie podstawowe zależności.

Rozważamy hipotetyczną przetwornicę

z idealnymi elementami. Bez żadnych

strat. W takiej przetwornicy moc pobrana

ze źródła zostaje w całości dostarczona

do obciążenia. Moc pobierana ze źródła

to P1 = U1*I B gdzie I B to średni prąd po−

bierany z baterii. Moc dostarczona do ob−

ciążenia to P2 = U2*I L . W przetwornicy

idealnej P1 = U1*I B = U2*I L = P2.

Jeśli rezystancja R L się zmniejsza, to

do obciążenia trzeba dostarczyć większą

moc, czyli przy ustalonym napięciu wyj−

ściowym U2 musi rosnąć prąd wyjściowy

I L . Oczywiście jednocześnie będzie rósł

prąd wejściowy I B (przy stałym napięciu

wejściowym U1). Rysunek 18 pokazuje

trasy prądów i miejsca występowania na−

pięć (nadal pomijamy spadek napięcia na

diodzie D1). Fioletowym kolorem zazna−

czyłem ci prąd wejściowy, czerwonym

prąd wyjściowy. Na górze rysunku 18 za−

znaczone są przykładowe przebiegi. Prąd

płynący przez cewkę możemy podzielić

na dwa prądy: ładowania (I1) i rozładowa−

nia (I2). Mają one charakter impulsowy

ioczywiście interesuje nas nie szczytowa

wartość prądu, tylko wartość średnia. Co

oczywiste, wypadkowa wartość tego im−

pulsowego prądu ładowania (I1) musi być

równa średniej wartości prądu pobierane−

go z baterii (I B ). Analogicznie wypadkowa

wartość impulsowego prądu rozładowa−

nia I2 musi być równa prądowi stałemu

płynącego przez rezystor R L .

Ktoś mógłby zaprotestować, że prze−

cież przez cewkę płynie „prąd wspólny”,

czyli prąd wejściowy I1 musi być równy

prądowi wyjściowemu I2. Takie wyobra−

żenie jest błędne i prowadzi do fałszy−

wych wniosków.

Choć rzeczywiście wartości prądu na

początku i końcu ładowania oraz rozłado−

wania są takie same (ciągłość prądu

w cewce), nas interesuje uśredniona

wartość prądu wdłuższym okresie czasu.

Pamiętaj, że prąd wejściowy zamyka się

w innym obwodzie niż prąd wyjściowy.

Pokazuje to rysunek 18. Jeśli masz wąt−

pliwości, dodatkowo narysujemy oddziel−

nie prądy ładowania i rozładowania (rrysu−

nek 19), to już nie możesz mieć wątpli−

wości, że prąd I B jest równy średniej war−

tości prądu ładującego I1, a prąd obciąże−

nia I L jest równy średniej wartości impul−

sowego prądu rozładowania I2. Tym sa−

mym prądy I B oraz I L nie muszą być rów−

ne. Zauważ, że równe są tu tylko moce

(P1=P2). Zazwyczaj U1 nie równa się U2

i tym samym prąd I1 nie jest równy I2.

Zgadza się?

Oczywiście cały czas zakładamy, że

przetwornica pracuje bez żadnych strat

i P1 = P2.

Transformator

prądu stałego?

Uważaj teraz! Rysunki 18 i 19 udowa−

dniają, że omawiana przetwornica jest

swego rodzaju „transformatorem prądu

stałego”. W (idealnym) transformatorze

prądu zmiennego także równe są moce

pierwotna i wtórna, a stosunek napięć

i prądów zależy od przekładni transforma−

tora. Dla idealnego transformatora obo−

wiązują zależności

P1 = U1* I1= U2*I2 = P2

co można zapisać:

U1/U2 = I2/I1

O dziwo, podobnie jest w (idealnej)

przetwornicy! W klasycznym transforma−

torze przekładnia wyznaczona jest sto−

sunkiem liczby zwojów uzwojenia pier−

wotnego i wtórnego. Czy już widzisz, tak

to jest z „przekładnią” przetwornicy za−

porowej?

Nie?

Rysunek 17 wskazuje, że przy małych

prądach obciążenia (przebiegi a, b) napię−

cie wyjściowe regulowane jest współ−

czynnikiem wypełnienia impulsów klu−

czujących. Jednak prrzy wiiększych prrą−

dach obciiążeniia ((prrzebiiegii c,, d,, e)) współł−

czynniik wypełłniieniia jestt sttałły!! Prąd ro−

śnie, amplituda jego wahań nie rośnie,

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

Listy od Piotra

Rys. 19

t), który wpewnych sytu−

acjach możemy uprościć do postaci

U=L * I / t. Przy ustalonych wartościach

napięć U1 iU2 stosunek czasu ładowania

do czasu rozładowania zawsze jest stały

i nie zależy od wartości prądu obciążenia.

Sprawdź to na rysunku 17 oraz wcze−

śniejszych rysunkach 7...13.

Jaki to ma być współczynnik wypeł−

nienia? Pomyśl chwilę...

Tak jest! Współczynnik wypełnienia

w trybie z rysunku 17bcd wyznaczony

jest nie przez potrzebny prąd czy moc,

tylko przez stosunek napięć wejściowe−

go i wyjściowego. I oto masz „przekła−

dnię” przetwornicy zaporowej!

U1/U2 = t on /t off

Jeśli chciałbyś wyliczyć to matema−

tycznie, samodzielnie rozpisz i prze−

kształć wzór na zmianę wartości prądu

w cewce

rozważ różne przypadki i sprawdź, czy

rzeczywiście wszystko „trzyma się ku−

py”. Przy okazji znajdziesz wyjaśnienie,

dlaczego w licznych źródłach omawiają−

cych temat przetwornic mówi się o mini−

malnym prądzie obciążenia (bądź o mini−

malnej indukcyjności). Teraz już rozu−

miesz, że w zasadzie dotyczy to prostych

przetwornic „o stałej przekładni”, nie wy−

posażonych w układ regulacji współczyn−

nika wypełnienia wg rysunku 6b. Piszę

„wzasadzie”, bo sprawa jest bardziej zło−

żona. Napięcie wejściowe (napięcie aku−

mulatora czy wy−

prostowane napię−

cie sieci) nie jest

stabilne i zmienia

się w granicach

nawet kilkudzie−

sięciu procent,

więc przy stałej

„przekładni” (czyli

stałym współczyn−

niku wypełnienia)

napięcie wyjścio−

we również waha−

łoby się w takich

samych granicach.

Już z tego wzglę−

du trzeba stoso−

wać blok płynnej

regulacji porównu−

jący napięcie wyj−

ściowe z jakimś

stabilnym napię−

ciem odniesienia.

Przy obecnym sta−

nie techniki nic nie

stoi na przeszko−

dzie, by stosować

układy elektronicz−

ne regulujące płyn−

nie współczynnik

wypełnienia impul−

sów sterujących

kluczem (tranzy−

storem). Umożli−

wia to poprawną

pracę zarówno

w trybie z całkowi−

tym uwalnianiem

rdzenia z energii

(rys 17a, b), jak i w trybie, w którym prąd

i energia nie zmniejszaja się do zera (rys.

17c, d, e)

Z pewnych względów konstruktorzy

preferują przetwornice, w których w nor−

malnych warunkach pracy prąd cewki nie

maleje do zera. Wtedy bowiem niektóre

właściwości przetwornicy są lepsze niż

w sytuacji, gdy prąd i energia cewki ma−

leją do zera. W następnym odcinku przyj−

rzymy się tej sprawie z jeszcze innej stro−

ny.

Piiottrr Górreckii

I w czasie t on it off .

Czy wzór na „przekładnię” przetworni−

cy odwracającej to tylko ciekawostka?

Nie! Do tej pory wydawało Ci się, że

w każdej przetwornicy niezbędny jest

blok płynnej regulacji współczynnika wy−

pełnienia impulsów sterujących. Teraz

okazało się, że jeśli mielibyśmy stabilizo−

wane napięcie wejściowe, a chcieliby−

śmy uzyskać stabilne napięcie wyjścio−

we, to wcale nie musielibyśmy stosować

bloku regulacji współczynnika wypełnie−

nia impulsów, takiego jak na rysunku 7

(w poprzednim odcinku)! Wystarczyłoby

zastosować generator o stałym współ−

czynniku wypełnienia! Ale uważaj z jed−

nym zastrzeżeniem: taka prosta prze−

twornica „o stałej przekładni” nie mogła−

by prawidłowo pracować przy małych

prądach wyjściowych.

Czy to do Ciebie naprawdę dotarło?

Przeanalizuj to jeszcze raz samodzielnie,

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

napięcia są takie same, a współczynnik

wypełnienia nie zmienia się.

Nadążasz? Nie?

To jeszcze raz wróć do rysunku 17.

Zwróć uwagę na bardzo ważną zależ−

ność. Nieprzypadkowo w tym odcinku

i w poprzednim do znudzenia powtarza−

łem Ci, że szybkości narastania i opada−

nia prądu wyznaczone są przez napięcia

wejściowe i wyjściowe zgodnie ze wzo−

rem U=L* (

Przetwornice - podstawowe konfiguracje -2.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: