Импульсные измерительные преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Любое электронное средство можно представить, как совокупность нескольких устройств. Неотъемлемой частью любого электронного средства является источник питания.

Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу электронного средства за все время его жизненного цикла. Государственными стандартами дано определение источника электропитания как устройства, преобразующего поступающее на электронное средство напряжение и ток, показателей стабильности и надежности. Именно этот вид источников электропитания наиболее распространен.

Источники электропитания электронных средств содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения обеспечивают изменение уровня выходного напряжения, выпрямление, инвертирование, стабилизацию, фильтрацию, защиту, усиления или комбинацию различных функций.

Источники питания, применяемые в силовой электронике, можно разделить на линейные и импульсные. Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, хорошие значения нестабильности по напряжению и току, главным их недостатком является низкий КПД.

Однако импульсные источники питания являются более популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной мощности. При сравнении линейных и импульсных источников питания можно сделать следующие выводы. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, но в импульсных источниках часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения. Импульсные источники также имеют большую длительность переходных процессов, чем линейные, но имеют намного большее время удержания. Также импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений.

По типу входного и выходного напряжений импульсные источники питания можно разделить на:

-AC/AC - конверторы;

-AC/DC - конверторы;

-DC/DC - конверторы;

-DC/AC - конверторы.

Общий принцип действия импульсных ИП заключается в следующем:

1. Сетевое напряжение преобразуется в высокое постоянное. Оно поступает на первичную обмотку трансформатора через сильноточный полупроводниковый ключ.

2. Ключ коммутирует напряжение на первичной обмотке с высокой частотой, гораздо более высокой, чем частота сетевого напряжения. Это позволяет существенно сократить габариты и вес трансформатора, а также элементов фильтра.

3. Электронный ключ в любой момент времени находится либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Он никогда не находится в «активном» состоянии. Поэтому на ключе рассеивается существенно меньшая мощность, чем на проходном транзисторе линейного источника питания.

4. Высокочастотное напряжение на первичной обмотке трансформатора передается во вторичную обмотку. Во вторичную обмотку включаются фильтрующие цепи, а также цепь обратной связи.

5. Цепь обратной связи через гальваническую развязку управляет скважностью включения электронного ключа, обеспечивая поддержание выходного напряжения на заданном уровне.

Глава 1. Однотактный полумостовой преобразователь

1.1 Описание однотактного полумостового преобразователя

Импульсный преобразователь -- это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения -- с минимальным сопротивлением, а значит, может рассматриваться как ключ.

Полумостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направления тока первичной обмотки. Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

В полумостовом преобразователе могут использоваться транзисторы n-типа и p-типа. Часто используются полевые транзисторы с изолированным затвором в связи с их способностью переключать большие токи, а также низким сопротивлением открытого канала. Затворы или базы силовых транзисторов подтягиваются через резистор к одному из напряжений источника питания. Для подачи положительного напряжения на затвор силового транзистора N-типа в схеме с общим истоком применяется дополнительный транзистор P-типа, а для соединения с потенциалом земли затвора силового транзистора P-типа применяется дополнительный транзистор N-типа.

Очень важным моментом является синхронизация открытия и закрытия транзисторов. Если оба транзистора открыты, возникает короткое замыкание, если оба закрыты -- появляются высоковольтные импульсы из-за ЭДС самоиндукции.

Если драйвер силовых транзисторов достаточно мощный и быстрый, ЭДС самоиндукции не успевает зарядить паразитные ёмкости обмоток трансформатора и транзисторов до высоких напряжений.

1.2 Схема и диаграмма процессов

Рисунок 1

Схема полумостового преобразователя, работающего по принципу однотактного и обычно называемого полумостовым. В данной схеме, использующей два входных источника напряжения Uвх1 и Uвх2 в трансформаторе, применяется только одна первичная обмотка, ключи VT1 и VT2 включаются поочерёдно на время Tn, в каждом полупериоде работы. К схеме поступает прямоугольное импульсное напряжение, получаемое от вторичных обмоток W1 и W2 и выпрямленное диодами VD1 и VD2. Длительность импульсов регулируется управляющими сигналами на затворах ключей, коэффициент заполнения D = 2tn/T изменяется от 0 до 1. Частота первой гармоники напряжения, которую необходимо подавлять фильтром, равна, так же как и в двухтактной схеме удвоенной частоте работы ключей и трансформатора, что является преимуществом двухтактной схемы по отношению к однотактной.

Процессы в полумостовом преобразователе в основном сходны с процессами в преобразователе со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Максимальное напряжение на ключах не превышает Uвх, а индуктивность рассеяния, приведенная к первичной обмотке W не увеличивает максимальное напряжение на запираемом ключе. В данной схеме требуются транзисторы с допустимым напряжением по крайней мере в два раза меньше, чем в двухтактной, что является её достоинством. Отличает данную схему и то, что у трансформатора только одна первичная обмотка - трансформатор выполняется проще и может быть выполнен меньшего размера.

Диаграммы процессов в полумостовом преобразователе:

Рисунок 2

Глава 2. Достоинства и недостатки, принцип работы

2.1 Достоинства и недостатки

- с точки зрения надёжности и эффективности лучший преобразователь среди однотактных;

- Маленькие магнитные сердечники;

- Нет магнитного промежутка, поэтому низкое магнитное поле рассеяния;

- Частота вторичных цепей равна двойной частоте переключений. Маленькие компоненты фильтра (L и C) во вторичных цепях, так как они работают на двойной частоте, и нет таких импульсных токов, как в обратноходовой схеме:

- Низкая выходная пульсация и шум;

- Относительно низкий излучаемый шум, особенно, если вторичные катушки индуктивности - тороидальные ядра (магнитное поле замкнуто в сердечнике).

Недостатки:

- поскольку данный преобразователь работает на половинном выпрямленном напряжении, ток коллектора переключающих транзисторов вдвое выше тока коллектора транзисторов по сравнению с двухтактной схемой;

- конструктивней сложнее чем другие однотактные преобразователи.

2.2 Принцип работы и применение

Верхний и нижний ключи закрыты, открывается верхний ключ, конденсатор заряжается через нагрузку, нижний ключ открыт, конденсатор разряжается через нагрузку, верхний ключ открыт, конденсатор заряжается через нагрузку, далее цикл повторяется.

Полумостовая схема лучше всего подходит для относительно маломощных (до 500 Вт) источников питания с высоковольтным входом и низковольтным выходом. Большинство компьютерных блоков питания и импульсных зарядных устройств построено по такой схеме. Применение полумостовой схемы при низком входном напряжении ограничено тем, что в этом случае получаются высокие потери на силовых ключах, и нужны конденсаторы большой емкости, рассчитанные на большие токи.

Особенности:

- все выпрямители однополупериодные;

- транзисторы должны открываться поочерёдно (с паузой), если 2 транзистора откроются вместе, то возможен режим сквозного тока, перегрузка в сети или короткое замыкание;

- нет рекуперационных обмоток;

- два транзистора используются для большей надёжности;

Схема двухтактного полумостового преобразователя:

Рисунок 3

Напряжение, приложенное к первичной обмотке импульсного трансформатора полумостового преобразователя, можно вычислить по формуле:

Где U_п - постоянное напряжение,питающее преобразователь;

U_нас - напряжение насыщения одного ключевого транзистора.

Емкость каждого конденсатора делителя напряжения можно вычислить по следующей формуле:

Где С - емкость конденсатора, Ф;

I_{перв.макс} - амплитуда полного тока через первичную обмотку трансформатора;

F - частота преобразования, Гц;

ДU_с - изменение напряжения на конденсаторе за длительность времени прохождения через него импульса полного тока I_{перв.макс}.

Величина приложенной к конденсатору переменной составляющей напряжения не должна превышать максимально допустимую справочную величину для компонента данной марки и типа. Важно помнить, что номинальная емкость многих конденсаторов на высокой частоте и при низкой температуре окружающей среды существенно уменьшается.

Полумостовые преобразователи нашли широкое применение при выходной мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Достоинство полумостового преобразователя заключается в низком обратном напряжении, приложенном к каждому ключевому транзистору в состоянии отсечки, примерно равном постоянному напряжению питания преобразователя. Это позволяет использовать полумостовые преобразователи при высоком питающем напряжении. Полумостовые преобразователи могут быть включены без нагрузки, и при этом не будет опасного повреждения компонентов. Частота пульсации равна удвоенной частоте преобразования.

Если емкости конденсаторов делителя напряжения строго одинаковы, ключевые транзисторы идентичны друг другу, и петля гистерезиса материала магнитопровода не содержит дефектов, то можно полагать, что подмагничивание сердечника импульсного трансформатора отсутствует. Такая картина возможна только в идеале. Так, например, в реальном полумостовом преобразователе емкости конденсаторов в делителе напряжения всегда отличны друг от друга и, следовательно, несимметрично перемагничивание трансформатора. Однако степень несимметрии обычно много меньше, чем в магнитопроводах трансформаторов однотактных преобразователей. Одним из простейших способов уменьшения подмагничивания сердечника полумостового преобразователя является включение неполярного конденсатора между импульсным трансформатором и средней точкой емкостного делителя напряжения.

К недостаткам относят наличие двух конденсаторов в делителе напряжения, разрушение компонентов ИИП при перегрузке по току в нагрузке при отсутствии системы защиты, меньший КПД, чем достижимый в мостовом преобразователе.

Заключение

полумостовой преобразователь транзисторный напряжение

В ходе курсовой работы был рассмотрен и проанализирован однотактный полумостовой преобразователь, его принцип работы, достоинства и недостатки, его особенности. Также были рассмотрены другие импульсные преобразователи, общий принцип их действия.

Список источников

1. Мелешин В. Транзисторная преобразовательная техника. - 2005г. - 259с.

2. Дьяконов В., Максимчук А., Ремнев А., Смердов А. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. - 1973г. - 150с.

3. Хасаев О. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. - 2001г. - 69с.

4. Куликов С. Импульсные измерительные преобразователи /1974г. -215 с.

Размещено на Allbest.ru