Непосредственные преобразователи постоянного напряжения (НППН)

Непосредственные преобразователи постоянного напряжения (НППН) понижающего типа выполняются по структурной схеме, приведённой на рис. 1, в которой регулирующий элемент РЭ и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой RH.

Рис. 1. Структурная схема НППН понижающего типа.

В качестве РЭ используется транзистор, работающий в режиме переключения, при котором он поочерёдно находится в режиме насыщения (когда он полностью открыт) или в режиме отсечки (когда он полностью закрыт). В НППН регулирующий элемент РЭ преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение Un (Uo) в серию последовательных импульсов определённой длительности и частоты, поступающую от широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и модулированных по закону аналогового управления. Сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя L и конденсатора С демодулирует их и восстанавливает форму аналогового сигнала управления. Импульсный режим работы позволяет значительно уменьшить мощность потерь в регулирующем элементе и тем самым повысить КПД модулятора, уменьшить его массу и габариты.

НППН, в зависимости от способа управления регулирующим транзистором, могут выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или релейного типа. В НППН с широтно-импульсной модуляцией в процессе работы изменяется длительность импульса tи, а частота коммутации остаётся неизменной, в НППН с частотно-импульсной модуляцией изменяется частота коммутаций, а длительность импульса tи остаётся постоянной, в НППН релейного типа в процессе регулирования напряжения изменяется и длительность импульса и частота: это является их основным недостатком, ограничивающим применение.

НППН повышающего типа выполняется по структурной схеме, приведённой на рис.2, в которой регулирующий элемент РЭ (транзистор) подключён параллельно нагрузке RH и также работает в импульсном режиме.

Рис. 2. Структурная схема НППН повышающего типа.

Диод VD блокирует нагрузку Rн и конденсатор фильтра С от регулирующего элемента РЭ. Когда регулирующий транзистор открыт, ток от источника питания U п протекает через дроссель L, запасая в нём энергию. Диод VD при этом осекает (блокирует) и не позволяет конденсатору С разрядиться через открытый регулирующий транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. В следующий момент времени, когда регулирующий транзистор закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением и энергия дросселя отдаётся в нагрузку; при этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания U_n (Uo). В отличие от схемы на рис. 1 здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L, и скважностью работы регулирующего транзистора.

НППН инвертирующего типа выполняется по структурной схеме, приведённой на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема НППН инвертирующего типа.

В отличие от предыдущей схемы здесь параллельно нагрузке R H включён дроссель L, а регулирующий элемент РЭ включён последовательно с нагрузкой. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра С и нагрузку R H от регулирующего элемента. НППН обладает свойством инвертирования полярности выходного напряжения U H относительно полярности входного напряжения питания. Когда регулирующий транзистор открыт, ток (i зар ) от источника питания U n протекает через дроссель L, запасая в нём энергию. Диод VD при этом закрыт и не позволяет току зарядки (i_зар) «пройти» через нагрузку. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С за счёт его разряда. В следующий момент, когда регулирующий транзистор закрыт, возникает ЭДС самоиндукции дросселя, которая имеет обратную полярность по отношению к входному напряжению Uп и энергия дросселя отдаётся как в нагрузку, так и на заряд конденсатора. При этом выходное напряжение может быть и больше и меньше входного напряжения питания U п (U 0 ).

Расчет НППН понижающего типа.

Принцип действия HППH понижающего типа основан на импульсном преобразовании среднего значения питающего напряжения (рис. 1).

На рис. 4 представлены диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме для НППН понижающего типа.

Рис. 4.

Диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме для НППН понижающего типа.

Рассмотрим работу схемы: при замкнутом ключе во время tи протекает зарядный ток через индуктивность Lф, Сф и RH при этом на Lф имеется встречно-направленная полярность. Диод VD смещен в обратном направлении питающим напряжением. При запирании ключа, согласно закону самоиндукции происходит изменение полярности на концах Lф, а ток через нее будет иметь прежнее направление, замыкаясь через Сф, нагрузку и обратный диод VD. Затем при открывании ключа напряжение источника питания прикладывается к диоду VD, который до этого проводил ток разрядки Lф, Т.к. диод не может мгновенно восстановить свои запирающие свойства, появится всплеск тока через него и ключ.

Передаточная характеристика НППН понижающего типа представлена на рис. 5.

Рис 5. Передаточная характеристика HППH понижающего типа.

Принимаем в качестве ключевого элемента выходного каскада ШИМ-транзистор типа КТ819Б.

Выбираем диод типа 2Д238AС. Частота преобразования приняли равным 20 кГц.

Результаты моделирования с помощью Micro-Cap 8.1.1.1

Суть моделирования заключается в разработке модели адекватной реальному объекту. Для этого необходимо, чтобы процессы, происходящие в "электрических цепях модели, полностью отражали процессы, происходящие в физическом объекте с высокой точностью.

Использованием источника VPULSЕ можно полностью заменить источник постоянного напряжения U H и устройство ШИМ. Источник VPULSE вырабатывает последовательность импульсов, а для получения ШИМ выходного напряжения по закону входного сигнала U_BX(t) согласно зависимости: Uвых(t) = y(t)U_п, необходимо варьировать коэффициент заполнения импульсов γ (t) с помощью многовариантного анализа. Один из способов которого заключается в вариации ширины импульсов с заданным шагом. Для исключения процесса колебательного заряда в LфСф-контуре модели необходимо ввести последовательный диод VD1. Схема моделирования представлена на рис. 6.

Для обеспечения неразрывности информационной связи между входом и выходом модулятора, необходимо чтобы за время паузы ток разряда индуктивности не был равен нулю.

Предельное значение индуктивности - это такое значение, которое соответствует полному разряду в конце периода квантования. В случае наличия разрывности тока разряда индуктивности, выходное сопротивление модулятора увеличивается, то есть ухудшается нагрузочная способность.

Рис. 6.

Рис 7. Форма выходного напряжения в зависимости от значения индуктивности.

Режим работы с непрерывными токами через индуктивность предопределяет индуктивный характер низкочастотного фильтра LфСф, выполняющего роль восстановителя формы аналогового сигнала управления. Поэтому для обеспечения работы в режиме непрерывных токов необходимо чтобы Lф>Lкр.

Рис.8. Схема моделирования.

Графики, полученные при моделировании, представлены на рис. 9.

Рис. 9. Режим непрерывных токов I(LI).

Как видно из графиков, при замкнутом ключе, что соответствует наличию импульса от источника У VPULSE, происходит накопление энергии в дросселе от источника питания. При запертом ключе, что соответствует отсутствию импульса от источника VPULSE, индуктивность разряжается и накопленная в дросселе энергия поступает в нагрузку.

Рис. 10. Схема моделирования проектируемого НППН с выполнением условия подавления переменной составляющей выходного напряжения.

Рис. 11. Диаграмма выходного напряжения с переменной составляющей.

Заключение

• 1.    В данной работе произведен обоснованный выбор модулятора на базе НППН понижающего типа, работающего на частоте 20кГЦ.

• 2.    Повышенная рабочая частота дает возможность существенно уменьшить габариты и массу реактивных элементов (дроссель и конденсатор).

• 3.    Импульсный характер работы модулятора дает возможность уменьшить и массу самого НППН за счет отказа от громоздких теплоотводящих устройств и увеличить коэффициент полезного действия всего устройства в целом.

• 4.    Для получения наилучших графиков при моделировании приняли индуктивность 1,3 мГн, а ёмкость 1,2 мкФ.