Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
Fundamenty Elektroniki
P
P
rzetwornice impulsowe
Podstawowe konfiguracje - przetwornica zaporowa
P
o
d
s
t
a
w
o
w
e
k
o
n
f
i
g
u
r
a
c
j
e
p
r
z
e
t
w
o
r
n
i
c
a
z
a
p
o
r
o
w
a
część 2
W poprzednim odcinku zaczęliśmy musi być większa. Częstotliwość jest sta-
W
p
o
p
r
z
e
d
n
i
m
o
d
c
i
n
k
u
z
a
c
z
ę
l
i
ś
m
y
omawiać pracę przetwornicy odwracają- ła, więc zwiększyć się musi porcja energii
o
m
a
w
i
a
ć
p
r
a
c
ę
p
r
z
e
t
w
o
r
n
i
c
y
o
d
w
r
a
c
a
j
ą
cej. Podane tam informacje nie wyczer- przekazywana na wyjście w każdym cy-
c
e
j
.
P
o
d
a
n
e
t
a
m
i
n
f
o
r
m
a
c
j
e
n
i
e
w
y
c
z
e
r
pały zagadnienia. Najważniejsze jeszcze klu. Czy to możliwe?
p
a
ł
y
z
a
g
a
d
n
i
e
n
i
a
.
N
a
j
w
a
ż
n
i
e
j
s
z
e
j
e
s
z
c
z
e
przed Tobą. Jeśli przy stałej częstotliwości zwięk-
p
r
z
e
d
T
o
b
ą
.
szymy nieco czas włączenia klucza, to co
Do tej pory analizowaliśmy sytuację, prawda zwiększymy ilość energii zgroma-
gdy obciążenie przetwornicy było niewiel- dzonej w rdzeniu, ale jednocześnie
kie. Okazało się, że przy dużych rezystan- skrócimy czas rozładowania cewki. więc
cjach obciążenia, prąd w cewce płynął tyl- cewka nie zdąży się rozładować.
ko przez część cyklu. W pozostałej części I co? Trudne, prawda?
cyklu prąd przez cewkę nie płynął, czyli Zastanówmy się jednak, jak zachowa
cewka była wolna od energii. Rozstaliśmy się układ, gdy blok regulacyjny nieco
się pytaniem, co się stanie, gdy w sytua- zwiększy współczynnik wypełnienia im-
Rys. 14
R
y
s
.
1
4
r
y
s
u
n
k
u
1
3
r
y
s
u
n
e
k
1
4
cji pokazanej na rysunku 13 jeszcze bar- pulsów. Popatrz na rysunek 14. Napięcie
dziej zmniejszymy rezystancję obciążenia R . wejściowe U1 nadal wynosi 10V, a więc sunki 14 i 15 pokazują hipotetyczną sytu-
L
szybkość narastania prądu będzie ację, gdy napięcie wyjściowe (i szybkość
taka sama jak na rysunku 13, bo opadania prądu) są podobne jak na wcze-
przecież jest wyznaczona przez na- śniejszych rysunkach 6-13, a tymczasem
pięcie wejściowe wygląda na to, że przetwornica nie wy-
[U=L * ("I/"t)]. rabia się , wiec ilość przekazywanej
Na chwilę załóżmy, że napięcie energii (moc) jest za mała i chyba napię-
wyjściowe U2 nie zmieniło się, cie wyjściowe powinno się zmniejszyć.
więc szybkość opadania nadal jest Słusznie!
taka jak na rysunku 13. Ponieważ Ale to niczego nie zmienia. Jeśli napię-
czas zwarcia klucza i czas ładowa- cie wyjściowe jest mniejsze, to...
nia cewki został zwiększony ko- no właśnie zmniejsza się szybkość
sztem czasu rozładowania, więc opadania prądu, na koniec cyklu prąd jest
Rys. 6a.
R
y
s
.
6
a
.
cewka w czasie jednego cyklu jeszcze większy i w rdzeniu pozostaje je-
zgromadzi więcej energii, ale nie- szcze więcej energii. Mam nadzieję, że
stety nie zdąży tej energii oddać. nadążasz...
We wszystkich przypadkach z ry- Teraz kluczowe pytanie: czy to dobrze,
sunków 7-13 prąd na końcu cyklu czy zle, że prąd w cewce rośnie jak poka-
pracy był równy zeru. Teraz wyglą- zują rysunki 14 i 15?
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
Rys. 13
R
y
s
.
1
3
znów zacznie ro-
snąć i znów cewka
Odpowiedz na to pytanie jest bardzo zgromadzi jeszcze więcej
ważna. Jeśli to dobrze zrozumiesz, świat energii, i znów do końca
przetwornic stanie przed Tobą otworem. cyklu nie zdąży się jej po-
Ponieważ napięcie wyjściowe U2 ma zbyć. Sytuacja będzie wy-
zostać takie same, a rezystancja obciąże- glądać mniej więcej tak
r
y
s
u
n
k
u
1
5
nia R zmniejszy się, więc wyjściowy jak na rysunku 15.
L
prąd obciążenia I musi wzrosnąć i na Może obawiasz się tu
L
Rys. 15
R
y
s
.
1
5
pewno moc przekazywana do obciążenia jakiegoś podstępu, bo ry-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 63
Listy od Piotra Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
Co o tym sądzisz? i wyjściowym, przy zmniejszaniu rezy-
Jeśli przyrost prądu stancji obciążenia przebiegi będą zmie-
r
y
s
u
n
e
k
1
7
w cewce "I w obu przypad- niać się, jak pokazuje to rysunek 17. Do-
kach jest taki sam, to co kładnie przeanalizuj przebiegi i zastanów
z ilością gromadzonej przy się, czy wszystko jest jasne.
tym energii? Czy w obu wy- Może jednak papierowe wyliczenia do
padkach ilość przekazywa- Ciebie nie przemawiają i nadal nie czu-
nej na wyjście energii jest jesz tego intuicyjnie (zwłaszcza sytuacji
taka sama? Przekonaj się na rysunku 17d i 17e). Nie dziwię Ci się!
sam. Gdyby to było takie oczywiste, przetwor-
Czy na przykład przy nice nie byłyby otoczone aurą tajemniczo-
wzroście prądu w cewce ści.
z 0 do 1 ampera zgroma- Dlatego poświęćmy tej sprawie wię-
dzona w cewce energia cej uwagi.
Rys. 16
R
y
s
.
1
6
zwiększy się o tyle samo, Kiedyś porównałem pracę przetworni-
Na pierwszy rzut oka wygląda, że wła- co przy wzroście z 9 do 10 amperów? cy do przelewania wody z jednego duże-
śnie weszliśmy w beznadziejną sytuację W obu przypadkach przyrost prądu jest go naczynia do drugiego za pomocą bu-
i przetwornica przestała pełnić swoje taki sam i wynosi 1amper... telki. W najprostszym przypadku, pod-
funkcje, bo nie można przekazać na wyj- Już zatrybiłeś? czas każdego cyklu nabieramy jakąś ilość
ście potrzebnej ilości energii, a prąd ro- No właśnie! Wszystko wyjaśnia wzór wody i całą tę wodę przelewamy do dru-
śnie... E = (L*I2) / 2 = 0,5L * I2 giego naczynia. Na koniec cyklu butelka
Czy zgodzisz się z wnioskiem, że prąd W pierwszym przypadku w cewce jest pusta. Teraz wyszło na jaw, że nie
będzie rósł, aż rdzeń wejdzie w nasyce- o jakiejś indukcyjności L przy prądzie 0 warto za każdym razem wylewać z butel-
nie, co jeszcze bardziej pogorszy sytua- amperów nie ma energii. Wzrost prądu ki wszystkiej wody. Opłaci się pozosta-
cję? A może w pewnej chwili prąd prze- do 1A spowoduje zgromadzenie się wiać część tej wody w butelce, a za to
stanie rosnąć i ustabilizuje się na jakiejś w każdym cyklu energii (jednostki nie są zwiększyć ilość cykli. Okazało się, że ta
r
y
s
u
n
e
k
1
6
wartości, jak pokazuje rysunek 16? Ale w tej chwili ważne): butelka w przetwornicy indukcyjnej ma
niby dlaczego miałby przestać rosnąć? E1 = 0,5L * 12 = 0,5L*1 dziwne właściwości, nie do końca znajdu-
Jeśli rysunek 16 pokazuje rzeczywiste I taka porcja energii może być przeka- jące odpowiednik hydrauliczny. Mianowi-
przebiegi, znaczyłoby to, że przy więk- zana na wyjście. cie jeśli butelka (cewka) zawiera dużo
szym prądzie wytworzy się stan równo- Natomiast w drugim przypadku przy wody (energii), to nalewanie i wylewanie
wagi. Czas ładowania (włączenia klucza) prądzie 9A na początku cyklu jest już tej wody następuje zdecydowanie szyb-
i czas rozładowania byłyby takie same jak zgromadzona energia: ciej niż w przypadku, gdy butelka jest pra-
na rysunku 13. Jednak ilość energii prze- E9 = 0,5L * 92 = 0,5L*81 wie pusta. Niestety, analogia hydraulicz-
kazywana z wejścia na wyjście w każdym Wzrasta ona do na okazała się zbyt prosta, żeby wyjaśnić
cyklu musiałaby być teraz większa, niż E10 = 0,5L * 102 = 0,5L*100 szczegóły. Przy analizie pracy przetworni-
w sytuacji z rysunku 13. Zauważ jednak, czyli o cy musimy uwzględnić, że liniowy wzrost
że szybkość wzrostu i opadania prądu 0,5L*100 - 0,5L*81 = 0,5L*9 prądu powoduje zwiększenie energii
musiałyby być takie same jak na rysunku Mimo, że zmiany prądu "I wynoszą w cewce proporcjonalne do drugiej potę-
13, bo przecież są wyznaczone przez na- też 1A, jest to 9-krotnie więcej niż gi prądu.
pięcia: wejściowe i wyjściowe. Także am- w pierwszym przypadku! Czyli w drugim
plituda zmian prądu ("I) miałaby być taka przypadku na wyjście może być przekaza- Prąd i moc
sama jak na rysunku 13. Czyli w sytuacji na 9-krotnie większa porcja energii Ponieważ rzeczywiście nie jest to ła-
z rysunku 16 podczas każdego cyklu prąd (i moc). twe do intuicyjnego pojęcia, a nie nasu-
wzrastałby o tyle samo, co w sytuacji Mamy więc rozwiązanie zagadki. wa mi się żadna prosta i dokładna analo-
z rysunku 13, zgodnie z wzorem Okazało się, że w naszej przetwornicy gia, jeszcze raz wróć do rysunków 17 i
U=L * ("I/"t). przy ustalonych napięciach wejściowym 13. Cały czas rozważamy tu idealną sytu-
Rys. 17
R
y
s
.
1
7
64 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
Rys. 18
R
y
s
.
1
8
znaczone są przykładowe przebiegi. Prąd i tym samym prąd I1 nie jest równy I2.
ację teoretyczną, nie zastanawiając się płynący przez cewkę możemy podzielić Zgadza się?
nad rezystancją uzwojenia cewki (pomija- na dwa prądy: ładowania (I1) i rozładowa- Oczywiście cały czas zakładamy, że
my ją) i sposobem realizacji klucza nia (I2). Mają one charakter impulsowy przetwornica pracuje bez żadnych strat
(w praktyce jest to jakiś tranzystor). Gdy- i oczywiście interesuje nas nie szczytowa i P1 = P2.
by cewka i klucz były idealne, a na diodzie wartość prądu, tylko wartość średnia. Co
nie występowałby spadek napięcia, wte- oczywiste, wypadkowa wartość tego im- Transformator
dy przetwornica miałaby sprawność pulsowego prądu ładowania (I1) musi być
prądu stałego?
100% - cała energia (moc) pobrana ze równa średniej wartości prądu pobierane-
zródła zasilania byłaby przekazana do ob- go z baterii (I ). Analogicznie wypadkowa Uważaj teraz! Rysunki 18 i 19 udowa-
B
ciążenia. Praktyczne przetwornice nie wartość impulsowego prądu rozładowa- dniają, że omawiana przetwornica jest
mają oczywiście sprawności 100%, ale nia I2 musi być równa prądowi stałemu swego rodzaju transformatorem prądu
często sprawność przekracza 90%, co płynącego przez rezystor R . stałego . W (idealnym) transformatorze
L
jest świetnym wynikiem. Na razie kwe- Ktoś mógłby zaprotestować, że prze- prądu zmiennego także równe są moce
stię sprawności pomijamy, bo chcemy cież przez cewkę płynie prąd wspólny , pierwotna i wtórna, a stosunek napięć
zgłębić jedynie podstawowe zależności. czyli prąd wejściowy I1 musi być równy i prądów zależy od przekładni transforma-
Rozważamy hipotetyczną przetwornicę prądowi wyjściowemu I2. Takie wyobra- tora. Dla idealnego transformatora obo-
z idealnymi elementami. Bez żadnych żenie jest błędne i prowadzi do fałszy- wiązują zależności
strat. W takiej przetwornicy moc pobrana wych wniosków. P1 = U1* I1= U2*I2 = P2
ze zródła zostaje w całości dostarczona Choć rzeczywiście wartości prądu na co można zapisać:
do obciążenia. Moc pobierana ze zródła początku i końcu ładowania oraz rozłado- U1/U2 = I2/I1
to P1 = U1*I gdzie I to średni prąd po- wania są takie same (ciągłość prądu O dziwo, podobnie jest w (idealnej)
B B
bierany z baterii. Moc dostarczona do ob- w cewce), nas interesuje uśredniona przetwornicy! W klasycznym transforma-
ciążenia to P2 = U2*I . W przetwornicy wartość prądu w dłuższym okresie czasu. torze przekładnia wyznaczona jest sto-
L
idealnej P1 = U1*I = U2*I = P2. Pamiętaj, że prąd wejściowy zamyka się sunkiem liczby zwojów uzwojenia pier-
B L
Jeśli rezystancja R się zmniejsza, to w innym obwodzie niż prąd wyjściowy. wotnego i wtórnego. Czy już widzisz, tak
L
do obciążenia trzeba dostarczyć większą Pokazuje to rysunek 18. Jeśli masz wąt- to jest z przekładnią przetwornicy za-
moc, czyli przy ustalonym napięciu wyj- pliwości, dodatkowo narysujemy oddziel- porowej?
r
y
s
u
ściowym U2 musi rosnąć prąd wyjściowy nie prądy ładowania i rozładowania (rysu- Nie?
n
e
k
1
9
I . Oczywiście jednocześnie będzie rósł nek 19), to już nie możesz mieć wątpli- Rysunek 17 wskazuje, że przy małych
L
prąd wejściowy I (przy stałym napięciu wości, że prąd I jest równy średniej war- prądach obciążenia (przebiegi a, b) napię-
B B
R
y
s
u
n
e
k
1
8
wejściowym U1). Rysunek 18 pokazuje tości prądu ładującego I1, a prąd obciąże- cie wyjściowe regulowane jest współ-
trasy prądów i miejsca występowania na- nia I jest równy średniej wartości impul- czynnikiem wypełnienia impulsów klu-
L
J
e
d
n
a
k
p
r
z
y
w
i
ę
k
s
z
y
c
h
p
r
ą
pięć (nadal pomijamy spadek napięcia na sowego prądu rozładowania I2. Tym sa- czujących. Jednak przy większych prą-
d
a
c
h
o
b
c
i
ą
ż
e
n
i
a
(
p
r
z
e
b
i
e
g
i
c
,
d
,
e
)
w
s
p
ó
ł
diodzie D1). Fioletowym kolorem zazna- mym prądy I oraz I nie muszą być rów- dach obciążenia (przebiegi c, d, e) współ-
B L
c
z
y
n
n
i
k
w
y
p
e
ł
n
i
e
n
i
a
j
e
s
t
s
t
a
ł
y
!
czyłem ci prąd wejściowy, czerwonym ne. Zauważ, że równe są tu tylko moce czynnik wypełnienia jest stały! Prąd ro-
prąd wyjściowy. Na górze rysunku 18 za- (P1=P2). Zazwyczaj U1 nie równa się U2 śnie, amplituda jego wahań nie rośnie,
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 65
Listy od Piotra Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
Rys. 19
R
y
s
.
1
9
napięcia są takie same, a współczynnik rozważ różne przypadki i sprawdz, czy (rys 17a, b), jak i w trybie, w którym prąd
wypełnienia nie zmienia się. rzeczywiście wszystko trzyma się ku- i energia nie zmniejszaja się do zera (rys.
Nadążasz? Nie? py . Przy okazji znajdziesz wyjaśnienie, 17c, d, e)
To jeszcze raz wróć do rysunku 17. dlaczego w licznych zródłach omawiają- Z pewnych względów konstruktorzy
Zwróć uwagę na bardzo ważną zależ- cych temat przetwornic mówi się o mini- preferują przetwornice, w których w nor-
ność. Nieprzypadkowo w tym odcinku malnym prądzie obciążenia (bądz o mini- malnych warunkach pracy prąd cewki nie
i w poprzednim do znudzenia powtarza- malnej indukcyjności). Teraz już rozu- maleje do zera. Wtedy bowiem niektóre
łem Ci, że szybkości narastania i opada- miesz, że w zasadzie dotyczy to prostych właściwości przetwornicy są lepsze niż
nia prądu wyznaczone są przez napięcia przetwornic o stałej przekładni , nie wy- w sytuacji, gdy prąd i energia cewki ma-
wejściowe i wyjściowe zgodnie ze wzo- posażonych w układ regulacji współczyn- leją do zera. W następnym odcinku przyj-
rem U=L * ("I/"t), który w pewnych sytu- nika wypełnienia wg rysunku 6b. Piszę rzymy się tej sprawie z jeszcze innej stro-
acjach możemy uprościć do postaci w zasadzie , bo sprawa jest bardziej zło- ny.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
U=L * I / t. Przy ustalonych wartościach żona. Napięcie wejściowe (napięcie aku- Piotr Górecki
napięć U1 i U2 stosunek czasu ładowania mulatora czy wy-
do czasu rozładowania zawsze jest stały prostowane napię-
i nie zależy od wartości prądu obciążenia. cie sieci) nie jest
Sprawdz to na rysunku 17 oraz wcze- stabilne i zmienia
śniejszych rysunkach 7...13. się w granicach
Jaki to ma być współczynnik wypeł- nawet kilkudzie-
nienia? Pomyśl chwilę... sięciu procent,
Tak jest! Współczynnik wypełnienia więc przy stałej
w trybie z rysunku 17bcd wyznaczony przekładni (czyli
jest nie przez potrzebny prąd czy moc, stałym współczyn-
tylko przez stosunek napięć wejściowe- niku wypełnienia)
go i wyjściowego. I oto masz przekła- napięcie wyjścio-
dnię przetwornicy zaporowej! we również waha-
U1/U2 = t /t łoby się w takich
on off
Jeśli chciałbyś wyliczyć to matema- samych granicach.
tycznie, samodzielnie rozpisz i prze- Już z tego wzglę-
kształć wzór na zmianę wartości prądu du trzeba stoso-
w cewce "I w czasie t i t . wać blok płynnej
on off
Czy wzór na przekładnię przetworni- regulacji porównu-
cy odwracającej to tylko ciekawostka? jący napięcie wyj-
Nie! Do tej pory wydawało Ci się, że ściowe z jakimś
w każdej przetwornicy niezbędny jest stabilnym napię-
blok płynnej regulacji współczynnika wy- ciem odniesienia.
pełnienia impulsów sterujących. Teraz Przy obecnym sta-
okazało się, że jeśli mielibyśmy stabilizo- nie techniki nic nie
wane napięcie wejściowe, a chcieliby- stoi na przeszko-
śmy uzyskać stabilne napięcie wyjścio- dzie, by stosować
we, to wcale nie musielibyśmy stosować układy elektronicz-
bloku regulacji współczynnika wypełnie- ne regulujące płyn-
nia impulsów, takiego jak na rysunku 7 nie współczynnik
(w poprzednim odcinku)! Wystarczyłoby wypełnienia impul-
zastosować generator o stałym współ- sów sterujących
czynniku wypełnienia! Ale uważaj z jed- kluczem (tranzy-
nym zastrzeżeniem: taka prosta prze- storem). Umożli-
twornica o stałej przekładni nie mogła- wia to poprawną
by prawidłowo pracować przy małych pracę zarówno
prądach wyjściowych. w trybie z całkowi-
Czy to do Ciebie naprawdę dotarło? tym uwalnianiem
Przeanalizuj to jeszcze raz samodzielnie, rdzenia z energii
66 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Przetwornice impulsowe cz 4przetwornice impulsowe cz 4przetwornice impulsowe cz 3Przetwornice impulsowe ogólnie, cz 1Przetwornice impulsowe cz2Elementy układów zasilania II generator, przetwornica impulsowa, szeregowy stabilizator napieciaPrzetworniki impulsowe DC konspekt1999 03 Moja pierwsza przetwornica impulsowa Zasilacz rezerwowyPrzetwornice impulsowe cz5Przetwornica 150w cz 2Technologia żywności cz 4 5 Przetwórstwo mlekaTechnologia zywności cz 1 5 Opakowania w przetwórstwie spożywczymTechnologia żywności cz 4 3 Przetwórstwo surowców pochodzenia morskiegowięcej podobnych podstron