Меню

Преобразователь переменного тока в пульсирующий

Как работает преобразователь напряжения

Время на чтение:

Электронная аппаратура, ее составные части требуют для питания элементов напряжение различной величины. До недавнего времени, а в некоторых случаях и сегодня, для получения нужного значения используют трансформаторы. Такой способ весьма прост, но обладает существенными недостатками: невозможность преобразования постоянного напряжения; большие габариты и вес трансформатора; необходимость использования дополнительных выпрямителей и стабилизаторов (в том числе с регулировкой) для каждого из значений напряжения вторичных обмоток; высокий уровень электромагнитных помех; низкий КПД. Большая часть перечисленных недостатков устранена в импульсных преобразователях.

Что такое импульсный преобразователь напряжения

Название конструкции произошло от принципа работы устройства. Выделяют такие основные особенности:

  • формирование высокочастотных импульсов;
  • преобразование амплитуды импульсов при помощи высокочастотного трансформатора;
  • выпрямление полученного напряжения.

У трансформатора много недостатков

Некоторые конструкции вместо трансформатора используют свойство емкости или индуктивности накапливать энергию. Разработаны микросхемы импульсных преобразователей (инверторов) напряжения, которые требуют для работы минимального количества дополнительных элементов. Это позволяет создавать конструкции с малым весом и габаритами.

Инверторный преобразователь

Обратите внимание! Даже преобразователи, использующие импульсный трансформатор, имеют намного меньшие размеры, чем классический трансформатор. Это связано с тем, что преобразование производится на высокой частоте.

Импульсное преобразование позволяет как повышать, так и понижать постоянное напряжение и легко производить его регулировку.

Технические характеристики прибора

Технические характеристики инверторов по большей части совпадают с таковыми у классических источников питания. Но есть и отличия. Импульсный преобразователь может работать при более широком диапазоне входного напряжения, имеет меньшие массу и габариты, более высокий КПД. Устройства отличаются высоким уровнем высокочастотных помех, но их легко снизить при использовании фильтров. Благодаря высокой частоте габариты фильтра невелики.

Обратите внимание! Инвертор имеет отрицательную величину входного сопротивления. На практике это выражается в том, что при увеличении напряжения питающей сети происходит снижение тока потребления.

Принцип работы

Принцип работы импульсного понижающего или повышающего преобразователя напряжения лучше рассмотреть на обобщенной блочной схеме. В основе схемы лежат:

  • выпрямитель;
  • входной фильтр;
  • генератор импульсов;
  • схема управления;
  • выходной выпрямитель;
  • выходной стабилизатор;
  • фильтр.

К сведению! Входное сетевое напряжение поступает на вход выпрямителя, а затем на фильтр, в результате чего получается постоянный ток, который служит для питания схемы устройства и для дальнейшей работы преобразователя.

Генератор формирует последовательность высокочастотных импульсов, а схема управления регулирует частоту или ширину импульсов. Данная регулировка позволяет изменять выходное напряжение в широких пределах, а также осуществлять его стабилизацию. Изменение тока нагрузки приводит к уменьшению напряжения.

Схема управления на основе измеренных данных дает команду на увеличение ширины импульсов, что приводит к увеличению напряжения. При уменьшении тока нагрузки происходят аналогичные изменения (импульс имеет меньшую длительность). Таким образом выполняется стабилизация.

Важно! Использование обратной связи гарантирует стабильность параметров не только при изменении нагрузки, но и в полном диапазоне входного напряжения.

Назначение преобразователя

Импульсные преобразователи используются для питания устройств различного назначения. Основная сфера применения — малогабаритные устройства, мощные стабилизаторы. Всем известны зарядные устройства с габаритами, сравнимыми с сетевой вилкой для мобильных устройств, а также инверторные сварочные аппараты, которые имеют в несколько раз пониженный, чем у трансформаторных устройств, вес и имеющие более высокие потребительские свойства.

Сварочный трансформатор

Обратите внимание! Использование инверторных преобразователей позволяет повысить экономичность устройств и снизить энергопротребление.

Как правильно и где использовать прибор

Применение импульсных устройств требует соблюдения некоторых условий:

  • экранировка корпуса прибора, чтобы понизить уровень излучаемых помех;
  • установка фильтров на входе устройства для предотвращения передачи помех через питающую сеть;
  • обеспечение циркуляции воздуха для эффективного охлаждения силовых элементов схемы.

Максимально допустимую нагрузку к источнику питания допускается подключать только при высоком значении входного напряжения. Это связано с тем, что при его снижении для обеспечения номинальных выходных значений полупроводниковые ключи генератора инвертора большую часть времени находятся в открытом состоянии. Это может вызвать их перегрев и выход из строя.

Важно! Большинство схем импульсных преобразователей напряжения построено таким образом, что часть элементов находится под потенциалом сети, что может вызвать удар электрическим током. Использовать такие преобразователи можно только при условии надежного заземления конструкции.

Микросхемы импульсных преобразователей

Для многих стандартных областей применения разработаны интегральные микросхемы стабилизаторов. Использование микросхем позволяет создавать конструкции, содержащие минимальное количество элементов и не требующие настройки. В случае питания небольшой нагрузки не требуется даже использование мощных ключевых элементов. Это позволяет создавать малогабаритные и надежные источники питания. В качестве примера зарядные устройства для мобильных телефонов.

Преобразователь на ИМС

Интегральные микросхемы в преобразователях могут выполнять различные функции, поэтому они делятся по функциональному назначению:

  • широтно-импульсные преобразователи;
  • триггеры Шмидта;
  • стабилизаторы напряжения.

Выпускается большой ассортимент ИМС, совмещающих в себе все перечисленные функции. Одна и та же микросхема может выпускаться различными производителями под своим наименованием.

Обратите внимание! Проектирование и конструирование импульсных преобразователей напряжения облегчается наличием большого количества типовых схем, которые опробованы в работе, отличаются простотой и надежностью.

Что касается ремонта устройства, то во многих случаях это выполнять нецелесообразно, поскольку затраты по времени и трудоемкость работ не сопоставимы с низкой стоимостью элементов и готовой конструкции.

Таким образом, преобразователь — это важное устройство как в быту, так и в промышленности. Благодаря ему обеспечивается слаженная работа электрооборудования и сетей. Но в его использовании важно учесть условия и правила.

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.
Читайте также:  В электрической цепи рисунок 130 напряжение получаемое от источника тока меньше напряжения зажигания

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник

Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения

Многие начинающие радиолюбители затрудняются определить тип блока питания, а ведь это не так уж и сложно. Основные способы преобразования напряжения заключаются в использовании одного из двух вариантов схемотехники:

Бестрансформаторные источники питания.

Содержание статьи

Трансформаторные источники питания

В свою очередь трансформаторные различаются по типу схемы:

Сетевая, с трансформатором, работающим на частоте 50 Гц;

Импульсная, с трансформатором, работающим на высоких частотах (десятки тысяч Гц).

Импульсные схемы блоков питания позволяют увеличить общий КПД конечного изделия, за счет избегания статических потерь на линейных стабилизаторах и прочих элементах.

Бестрансформаторные схемы

Читайте также:  Чем можно проверить напряжение тока

Если возникает необходимость питания от бытовой электросети 220 В, простейшие приборы можно включить от блоков питания использующих балластные элементы для понижения напряжения. Широко известным примером такого источника питания является схема с балластным конденсатором.

Безтрансформаторный источник питания

Безтрансформаторная схема

Однако существует ряд драйверов со встроенным ШИМ-контроллером и силовым ключом для построения бестрансформаторного импульсного понижающего преобразователя, такие очень часто встречаются в светодиодных лампочках и другой технике.

Схема светодиодной лампы

В случае питания от источника постоянного тока, например, аккумуляторов или других гальванических элементов питания, используют:

Линейный стабилизатор напряжения (интегральный стабилизатор типа КРЕН или L78xx с, или без проходного транзистора, параметрического стабилизатора из стабилитрона и транзистора)

Импульсного преобразователя (понижающего – BUCK, повышающего – BOOST, или понижающе-повышающего – BUCK-BOOST)

Преимущество бестрансформаторных блоков питания и преобразователей заключаются в следующем:

Нет необходимости мотать трансформатор, преобразование осуществляется за счёт дросселя и ключей;

Следствием из предыдущего являются малые габариты источников питания.

Отсутствие гальванический развязки, при неисправностях ключей приводит к появлению напряжения первичного источника питания. Это критично особенно если в его роли выступает сеть 220 В;

Опасность поражения электрическим током, как следствие гальванической связи;

Большие габариты дросселя на преобразователях высокой мощности ставят под сомнение целесообразность использования этой топологии блоков питания. При сопоставимых массогабаритных показателях можно использовать уже трансформаторный, гальванически развязанный преобразователь.

Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

В отечественной литературе часто встречается сокращение «ИППН», которое расшифровывается как: Импульсный Понижающий (или повышающий, или и то, и другое) Преобразователь Напряжения

Основные разновидности импульсных преобразователей напряжения

В качестве основы можно выделить три базовые схемы.

1. ИППН1 – Понижающий преобразователь, в англоязычной литературе – BUCK DC CONVERTER или Step-down.

2. ИППН2 – Повышающий преобразователь, в англоязычной литературе – BOOST DC CONVERTER или Step-up.

3. ИППН3 – Инвертирующий преобразователь с возможностью как повышения, так и понижения напряжения, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Как работает импульсный понижающий преобразователь?

Начнем с рассмотрения принципа работы первой схемы – ИППН1.

Понижающий преобразователь

В схеме можно выделить два питающих контура:

1. «+» от источника питания подаётся через закрытый ключ (транзистор любого типа соответствующей проводимости) на Lн (накопительный дроссель), далее ток протекает через нагрузку к «–» источника питания.

2. Второй контур образован из диода Д, дросселя Lн и подключенной нагрузки Rн.

Когда ключ замкнут, ток проходит по первому контуру, через катушку индуктивности протекает ток, и в её магнитном поле накапливается энергия. Когда мы выключаем (размыкаем) ключ, энергия, запасённая в катушке, рассеивается в нагрузку, при этом ток протекает через второй контур.

Напряжение на выходе (нагрузке) такого преобразователя равняется

Ku – это коэффициент преобразования, который зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов силового ключа.

Коэффициент заполнения «D» – это отношение времени, когда ключ открыт, к периоду ШИМ. «D» может принимать значения от 0 до 1.

ВАЖНО: Для ИППН1 Ku=D. Это значит, что пределы регулирования данного стабилизатора приблизительно равны – 0…Uвых.

Период, скважность и величина ШИМ

Напряжение на выходе такого преобразователя аналогично по полярности с напряжением на входе.

Как работает импульсный повышающий преобразователь напряжения

ИППН2 – способен повышать напряжение от напряжения питания до величины в десятки раз превышающей его. Схематически он состоит из тех же элементов что и предыдущая.

Любой преобразователь подобного типа в своем составе имеет три основных действующих компонента:

Управляемый ключ (биполярный, полевой, IGBT, MOSFET транзисторы);

Неуправляемый ключ (выпрямительный диод);

Импульсный повышающий преобразователь напряжения

Ток всегда протекает через индуктивность, изменяется лишь его величина.

Для того, чтобы понять принцип работы этого преобразователя, нужно вспомнить закон коммутации для катушки индуктивности: «Ток через катушку индуктивности не может измениться моментально».

Это вызвано таким явлением как ЭДС самоиндукции или противо-ЭДС. Так как электромагнитное поле индуктивности препятствует скачкообразному изменению тока, катушку можно представить в виде источника питания. Тогда в это схеме, когда ключ замыкается через катушку начинает протекать ток большой величины, но, как уже было сказано резко он возрасти не может.

Противо-ЭДС это явление, когда на концах катушки возникает ЭДС противоположное тому, что приложено. Если представить это на схеме для наглядности, придется представить катушку индуктивности в виде источника ЭДС.

Катушка индуктивности в виде источника ЭДС

Под цифрой «1» обозначено состояние схемы, когда ключ замкнут. Обратите внимания что источник питания и условное обозначение ЭДС катушки соединены положительными выводами последовательно, т.е. величины их ЭДС вычитаются. В таком случае индуктивность препятствует прохождению электрического тока, а вернее замедляет его рост. По мере роста, через определенный постоянной времени промежуток, величина противо-ЭДС уменьшается, а ток через индуктивность нарастает.

Лирическое отступление:

Величина ЭДС самоиндукции, как и любое другое ЭДС измеряется в Вольтах.

В этот промежуток времени основной ток протекает по контуру: источник питания-индуктивность-замкнутый ключ.

Когда ключ SA размыкается, схема 2. Ток начинает течь по такому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Так как сопротивление нагрузки, чаще значительно больше, чем сопротивление канала замкнутого транзистора. При этом снова – ток, протекающий через индуктивность не может измениться скачком, индуктивность всегда стремится поддержать направление и величину тока, поэтому возникает снова противо-ЭДС, но уже в обратной полярности.

Обратите внимание, как на второй схеме подключены полюса Источника питания и замещающего катушку источника ЭДС. Они соединены последовательно противоположными полюсами, а величины этих ЭДС складываются.

Таким образом происходит повышение напряжения.

Во время процесса накопления энергии индуктивности нагрузка питается энергией, которая ранее была запасена в сглаживающем конденсаторе.

Коэффициент преобразования в ИППН2 равен

Как видно из формулы – чем больше D – коэффициент заполнения, тем больше выходное напряжение. Полярность выходного питания, совпадает со входным у данного типа преобразователя.

Как работает инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирующий преобразователь напряжения довольно интересное устройство, ведь он может работать, как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения. Однако стоит учитывать, что полярность его выходного напряжения противоположна входному, т.е. положительный потенциал оказывается на общем проводе.

Инвертирующий преобразователь напряжения

Инвертирование также заметно по направлению, в котором включен диод Д. Принцип работы немного похожу на ИППН2. В то время, когда ключ Т замкнут происходит процесс накопления энергии индуктивности, питание от источника не попадает в нагрузку из-за диода Д. Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает рассеиваться в нагрузке.

Ток продолжает течь через индуктивность, возникает ЭДС самоиндукции, направленная таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику питания. Т.е. в узле соединения эмиттера транзистора (сток, если транзистор полевой), катода диода и конца обмотки катушки формируется отрицательный потенциал. На противоположном конце, соответственно, положительный.

Коэффициент преобразования ИППН3 равен:

Путем несложных подстановок коэффициента заполнения в формулу, мы определим, что до величины D в 0.5, этот преобразователь выступает в роли понижающего, а свыше – повышающего.

Как управлять такими преобразователем?

Описывать все варианты построения ШИМ-контроллеров можно бесконечно долго, об этом можно написать несколько томов технической литературы. Я же, хочу ограничиться перечислением нескольких простых вариантов:

1. Собрать схему несимметричного мультивибратора. Вместо VT3 подключается транзистор в схемах ИППН-ов.

Схема инвертирующего преобразователя напряжения

2. Чуть более сложный вариант, но более стабильный в плане частоты – это ШИМ на NE555 (для увеличения нажмита на картинку).

ШИМ на NE555

На схеме сделать правки, VT1 – это транзистор, изменяем схему так, чтобы на его месте был транзистор ИППН.

3. Вариант использовать микроконтроллер, так вы можете еще и сделать много дополнительных функций, для новичков хорошо подойдут AVR микроконтроллеры. Есть прекрасный видеоурок об этом.

Читайте также:  Электронные измерительные трансформаторы тока

Выводы

Импульсные преобразователи напряжения – это очень важная тема в отрасли блоков питания для радиоэлектронной аппаратуры. Подобные схемы используются повсеместно, а, в последнее время, с ростом «самодельщиков» или как это сейчас модно называть «DIY’щиков» и популярностью сайта aliexpress такие преобразователи стали особенно популярны и востребованы, вы можете заказать готовую плату ставшего уже классическим, преобразователя на LM2596 и подобных всего за пару долларов, при этом вы получите возможность регулировки напряжения или тока, или и того и другого.

Преобразователь напряжения на LM2596

Схема преобразователя напряжения

Другая популярная плата – это mini-360

Преобразователь напряжения

Вы можете заметить, что в этих схемах отсутствует транзистор. Дело в том, что он встроен в микросхему, кроме него там находится ШИМ-контроллер, цепи обратной связи для стабилизации выходного напряжения и другое. Тем не менее эти схемы могут усиливаться установкой дополнительного транзистора.

Если вам интересно спроектировать схему под ваши нужды, тогда более подробно с расчётными соотношениями вы можете ознакомится в следующей литературе:

«Компоненты для построения источников питания», Михаил Бабурин, Алексей Павленко, Группа компаний «Симметрон»

«Стабилизированные транзисторные преобразователи» В.С. Моин, Энергоатомиздат, М. 1986.

Источник



Импульсное преобразование переменного тока. Часть 1

Александр Русу, Одесса

В представлении большинства людей, занимающихся радиоэлектроникой, два словосочетания «импульсный преобразователь» и «постоянного тока» обычно тесно связаны между собой. Действительно, дешевые, малогабаритные, высокоэффективные импульсные DC/DC конверторы очень популярны в технике, хотя импульсный способ преобразования электрической энергии также активно применяется и в других устройствах: инверторах, выпрямителях, драйверах двигателей и светодиодов, и даже в аудио-усилителях. Но когда необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц, то из доступных решений вспоминаются или громоздкие низкочастотные трансформаторы, или сложные и малоэффективные устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Конечно, сфера применения АС/АС конверторов пока не так широка, как преобразователей постоянного тока – обычно это регуляторы мощности и стабилизаторы напряжения промышленной сети. Но сейчас бурно развивается альтернативная энергетика, для которой необходимы преобразователи, способные взаимодействовать с единой государственной энергосистемой в сложных и постоянно меняющихся режимах. Поэтому перед разработчиками силовой электроники постепенно встают задачи, требующие глубокого понимания процесса импульсного преобразования электрической энергии, на которые при создании DC/DC конверторов за ненадобностью не обращали внимания.

Основные принципы преобразования переменного тока были описаны еще в 1986 году [1]. Однако в то время элементная база не позволяла собрать преобразователи даже с удовлетворительными характеристиками. АС/АС конверторы того времени могли использоваться либо для лабораторных экспериментов, либо в случаях, когда цена, габариты и потери не имели значения. Сегодня производители электронных компонентов предоставляют широкий выбор MOSFET, IGBT, трансформаторов, дросселей, драйверов, контроллеров и других приборов, с помощью которых можно создать малогабаритный АС/АС конвертор с КПД не хуже 90%.

Первые эксперименты с преобразователями переменного тока показали, что основной проблемой является отсутствие четкого понимания принципов их работы. Известных знаний из области проектирования DC/DC конверторов оказалось недостаточно, поэтому началась работа над созданием обобщенной теории импульсного преобразования электрической энергии, некоторые моменты которой изложены в [2 – 4]. Сегодня уже очевидно, что импульсный способ преобразования еще не раскрыл весь свой потенциал и требует более глубокого изучения.

В этой статье рассмотрены основные особенности разработки импульсных АС/АС конверторов. Изучение этого материала позволит глубже понять сам механизм импульсного преобразования, поскольку он является общим для конверторов всех типов: DC/DC, AC/DC, DC/AC, AC/AC.

Как сделать АС/АС конвертор

АС/АС и DC/DC конверторы, имеют идентичные схемы. Только в АС/АС конверторах необходимо исключить полярные элементы и использовать силовые ключи, которые «…способны находиться или в замкнутом (проводящем), или в разомкнутом (непроводящем) состоянии и обеспечивать протекание или блокировку протекания тока в любом направлении» [4]. Если первое условие интуитивно понятно – нельзя использовать полярные элементы на переменном токе, то второе условие необходимо объяснить более подробно.

Сегодня в качестве силовых ключей из доступной элементной базы можно использовать механические контакты (например, контакты реле), полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, MOSFET и IGBT (Рисунок 1).

Рисунок 1. Протекание тока в силовых элементах.

Диоды, биполярные транзисторы и IGBT пропускают ток только в одном направлении, причем диод – это неуправляемый элемент. Поэтому в качестве самостоятельных ключей АС/АС конверторов эти приборы использовать нельзя. Проводящий канал MOSFET пропускает ток в обоих направлениях, а его сопротивление определяется напряжением между затвором и истоком. Теоретически, MOSFET вполне подходит для преобразования переменного тока. Однако наличие в этих приборах паразитного диода приводит к тому, что для одного из направлений ток невозможно блокировать. Таким образом, единственными элементами, которые можно использовать для ключей АС/АС конвертора, остаются механические контакты. Они могут, как пропускать ток, так и блокировать его протекание в любом направлении. Но механические контакты физически не могут переключаться с высокой частотой, имеют низкую надежность, высокий уровень шума и много других недостатков, из-за которых в современных преобразователях они не применяются.

В результате, ни один из приборов, показанных на Рисунке 1, в качестве полноценного самостоятельного силового ключа АС/АС конвертора использовать нельзя, поэтому в преобразователях переменного напряжения силовые ключи представляет собой комбинацию из нескольких полупроводниковых приборов (Рисунок 2). Аналогичные схемы используются в матричных преобразователях и подробно описаны в [5].

Рисунок 2. Силовые ключи АС/АС конверторов.

Сразу видно, что эти схемы имеют серьезный недостаток – ток протекает минимум через два силовых элемента: диод и транзистор, что негативно сказывается на КПД и стоимости преобразователя. Но, возможно, в будущем появятся более эффективные решения. Например, в [5] упомянуты RB-IGBT и BD-IGBT, но эти приборы по своим характеристикам, доступности и стоимости пока не достигли уровня, достаточного для широкого применения.

Рисунок 3. Понижающий (а), повышающий (б) и инвертирующий (в) АС/АС конверторы.

Из приведенных решений наибольший интерес представляет схема Рисунка 2в, поскольку в ней один драйвер может управлять двумя транзисторами, в качестве которых из-за меньших потерь на управление лучше использовать MOSFET или IGBT. При использовании MOSFET, если падение напряжения на открытом канале меньше прямого напряжения на диоде, ток будет проходить только через каналы транзисторов, а диод в процессе преобразования принимать участия не будет. Для ключей на основе IGBT можно использовать приборы со встроенным антипараллельным диодом. Это позволяет уменьшить количество корпусов и упростить разводку платы, хотя при этом ухудшается охлаждение кристаллов. При выборе IGBT со встроенным диодом необходимо обращать внимание также на тепловое сопротивление переход-корпус диода – оно должно быть соизмеримо с аналогичным сопротивлением транзистора, потому что в некоторых приборах диод может иметь в несколько раз большее тепловое сопротивление, чем транзистор.

Для построения АС/АС конвертора можно взять любую схему DC/DC преобразователя, исключить полярные элементы, а в качестве традиционных транзисторов и диодов использовать управляемые двунаправленные силовые ключи, показанные на Рисунке 2. В качестве примера на Рисунке 3 приведены схемы классических (базовых) АС/АС конверторов понижающего, повышающего и инвертирующего типов. При преобразовании переменного тока они будут выполнять те же функции: понижать, повышать и инвертировать величину входного напряжения.

Источник