STEROWANIE UKŁADÓW PROSTOWNICZYCH
Załączanie zwane wyzwalaniem tyrystora tzn przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia najczęściej odbywa się poprzez doprowadzenie do bramki prądu o odpowiednim natężeniu. Impuls sterujący ponadto powinien mieć dostateczną szerokość (czas trwania – ti) – nie mniej niż 10 µs i powinien mieć bardzo dużą stromość czoła impulsu (co eliminuje wpływ temperatury na czas załączenia)
Wyłączenie tyrystora tzn przejście od stanu załączenia do stanu blokowania osiąga się poprzez zmianę polaryzacji napięcia anoda-katoda. Najczęściej stosowanymi układami wyzwalającymi są układy w skład których wchodzi przesuwnik?? ??? sinusoidalnego napięcia sterującego i układu formującego. Układ formujący przetwarza przebieg sinusoidalny na ciąg impulsów o odpowiednim kształcie i amplitudach. Może on także być generatorem impulsów.
Jako prostowniki fazowe stosuje się proste układy RL i RC. Stosowane są przesuwniki mostkowe z wejściem symetrycznym i niesymetrycznym i przesuwniki transformatorowe.
α=2arctg1ωGR
Kąt przesunięcia fazowego między napięciami wejściowym a wyjściowym. Zmiana kąta α od 0 do 180 stopni przy stałej częstotliwości uzyskuje się przy zmianach przesunięcia fazowego bądź na kondensatorze C1 bądź na rezystorze R. Znacznie wygodniejsza regulacja kąta w tym zakresie odbywa się poprzez zmianę rezystancji w granicach od nieskończoności do 0.
Z wykresu wynika, że napięcie wyjściowe U2 nie ulega zmianie i ma stałą amplitudę.
UR=IR
UL=IjωL
α=360-arctgωLR
Nastawienia kąta α odbywa się przez zmianę wartości L lub R, które można zmieniać ręcznie lub elektronicznie. Najczęściej stosuje się dławik nasycony, którego indukcyjność zależy od wartości natężenia prądu płynącego w uzwojeniu ??sującym.
W ten sposób uzyskuje się możliwości zmiany przesunięcia fazowego w przedziale od 0 do 150 stopni.
STABILIZATORY NAPIĘCIA I PRĄDU STAŁEGO
Stabilizator napięcia lub prądu stałego to układ którego zadaniem jest utrzymanie teoretycznie niezmiennej wartości napięcia lub prądu natężenia wyjścia przy zmianach w ściśle określonym przedziale zmian dopuszczalnych napięcia zasilającego, prądu obciążenia i czynników zewnętrznych (temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu, itp.).
Zgodnie z definicją stabilizator napięcia powinien być praktyczną realizacją idealnego źródła napięcia, a stabilizator prądu idealnego źródła prądu. Jednak rzeczywiste parametry układów różnią się od parametrów źródeł idealnych. W przybliżeniu można przyjąć, że napięcie wyjściowe stabilizatorów jest funkcją, napięcia wejściowego prądu wyjściowego i temperatury.
Uwyj=fUwe,Twyj,T
Natomiast prąd wyjściowy jest funkcją
Iwyj=fUwe,Uwyj,T
Ze względu na zasadę działania stabilizatory napięcia stałego dzielone są na:
· parametryczne
· kompensacyjne o działaniu ciągłym
· kompensacyjne o działaniu impulsowym
Cechą charakterystyczną stabilizatorów parametrycznych jest brak zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego zapewniającego porównanie napięcia lub prądu z napięciem lub prądem wzorcowym. Dlatego też właściwości i parametry tych stabilizatorów zależy od właściwości elementów stabilizujących, przy czym w stabilizatorach napięcia elementy te włączone są do obciążenia równolegle, a w stabilizatorach prądu - szeregowo.
Nienajlepsza jakość stabilizatorów parametrycznych ogranicza dość poważnie ich zastosowanie.
STABILIZATORY KOMPENSACYJNE O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
Stabilizatory kompensacyjne zawierają człony takie jak: źródło napięcia odniesienia (napięcia wzorcowego),układ porównujący, wzmacniacz sygnału błędu i układ regulacyjny.
W stabilizatorach kompensacyjnych o działaniu ciągłym w procesie stabilizacji następuję porównanie napięcia stabilizowanego (najczęściej napięcia wyjściowego lub jego części) z wzorcowym napięciem odniesienia. Gdy napięcia te nie są równe wówczas ich różnica po wzmocnieniu działa na układ regulacyjny zmieniając jego rezystancję w taki sposób, aby zmiana spadku napięcia na nim przeciwdziałała zmianie napięcia stabilizowanego.
Układ regulacji to zwykle tranzystor lub zestaw tranzystorów (w stabilizatorach wysokiego napięcia – lampa elektronowa). Może on być połączony szeregowo lub równolegle z obciążeniem. Dlatego też rozróżnia się stabilizatory napięcia i prądu szeregowe i równoległe.
SZEREGOWY STABILIZATOR NAPIĘCIA O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
W stabilizatorach szeregowych napięcie wyjściowe jest stabilizowane zarówno przy zmianach napięcia wyjściowego jak i prądu obciążenia. Ich wadą jest brak zabezpieczenia układu regulacyjnego przed przeciążeniem lub zwarciem . Wymusza to stosowanie oddzielnych układów zabezpieczeń.
RÓWNOLEGŁY STABILIZATOR NAPIĘCIA O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
Stabilizatory równoległe są rzadziej stosowane, gdyż jedyną ich zaletą jest naturalne zabezpieczenie elementu regulacyjnego przed przeciążeniem. Do wad zalicza się mała stabilność i niewielka sprawność, gdyż niezależnie od wartości prądu obciążenia pobierają one z układu zasilającego prąd znamionowy.
KOMPENSACYJNE STABILIZATORY PRĄDU O DZIAŁANIU CIĄGŁYM
W kompensacyjnym stabilizatorach prądu jest dodatkowy rezystor próbkujący włączony szeregowo z obciążeniem. Na rezystorze tym powstaje spadek napięcia proporcjonalny do prądu wyjściowego. Różnica tego spadku napięcia i napięcia odniesienia za pośrednictwem wzmacniacza sygnału błędu steruje układ regulacyjny w taki sposób, aby prąd wyjściowy nie uległ zmianie. Ustabilizowanie prądu odbywa się zatem pośrednio poprzez stabilizację spadku napięcia na rezystancję Rp. Do konstruowania tych stabilizatorów można wykorzystywać stabilizatory napięcia.
IMPULSOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA
Ogólna koncepcja realizacji stabilizatora impulsowego polega na cyklicznym dołączeniu źródła energii poprzez półprzewodnikowy element przełączający i odpowiedni układ całkujący LC do obciążenia, a następnie jego odłącznie średnia wartość napięcia wyjściowego jest utrzymywana w przybliżeniu na stałym poziomie poprzez układ automatycznej regulacji zmieniającej względne czasy trwania okresów włączania i wyłączenia.
W obwodzie z rysunku klucz K cyklicznie przełącza wejście filtru LC do napięcia zasilającego U1 w czasie αT i do masy w (1-α)T, gdzie α jest współczynnikiem wypełnienia prostokątnego przebiegu sterującego przebiegiem klucza. Element kluczący generuje falę prostokątną o zmiennym wypełnieniu, która przez filtr uśredniający LC dostarcza stale napięcie wyjściowe do obciążenia.
Cechy układu:
· zmieniając współczynnik wypełnienia połączenia klucza, można bezstratnie regulować napięcie wyjściowe,
· w praktyce sprawność energetyczna może dochodzić do 95%, co powoduje radykalne zmniejszenie mocy strat wydzielanych w elementach stabilizatora impulsowego (to pociąga za sobą małe wymiary radiatorów i wyeliminowanie wymuszonego chłodzenia powietrznego)
· charakteryzuje się dużo większą zdolnością utrzymania napięcia wyjściowego przy chwilowych ??? napięcia wejściowego
W zasilaczach konwencjonalnych energię gromadzi się na poziomie napięcia wejściowego które jest nieco niższe od napięcia wyjściowego. W zasilaczach impulsowych z reguły nie stosuje się transformatorów sieciowych lecz napięcie wejściowe otrzymuje się bezpośrednio przez prostowanie napięcia sieciowego.
Ponieważ gromadzenie energii zachodzi przy wyprostowanym napięciu sieci o dużej częstotliwości (a energia zgromadzona w kondensatorze wynosi w=12CU2), filtracja zachodzi w zakresie częstotliwości pracy w przedziale od 20kHz do 200kHz. Dlatego w zasilaczach impulsowych można stosować kondensatory o znacznie mniejszych pojemnościach niż w zasilaczach konwencjonalnych. Nawet przy małych wartościach tych pojemności są one wystarczające do podtrzymywania ??? napięcia wejściowego przez kilka okresów.
Impulsowe zasilacze stabilizujące mogą wytwarzać napięcie stałe wyższe lub niższe od dostępnego źródła napięcia zasilającego o biegunowości zgodnej lub przeciwnej do biegunowości napięcia wejściowego. Główną wadą impulsowych stabilizatorów napięcia jest to, że zawierają układy impulsowego przetwarzania i stabilizowania napięcia wyjściowego przełączane z częstotliwością ponad akustyczną (tzn. częstotliwością większą od 20kHz) tak, że podstawowa częstotliwość i częstotliwość harmoniczna stopnia przełączającego oddziałują jak szumy i zakłócenia radioelektroniczne.
Stabilizacja napięcia wyjściowego i prędkość reakcji na zmiany obciążenia jest w tych stabilizatorach gorsza niż w stabilizatorach o działaniu ciągłym. Są one bardziej skomplikowane i rozbudowane niż stabilizatory o działaniu ciągłym.
Stabilizowane zasilacze impulsowe dzielą się na zasilacze:
· o wyjściu nieizolowanym od wejścia
· o wyjściu izolowanym od wejścia
Stabilizowany zasilacz impulsowy o wyjściu nieizolowanym od wejścia
Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany jest dwupołówkowym (cało falowym) prostownikiem mostkowym przetwarzającym napięcia przemienne sieci na napięcia stałe.
Filtr filtruje napięcie wyprostowane i gromadzi energię niezbędną do utrzymania napięcia wyjściowego przy krótkotrwałych zanikach napięcia w sieci.
Filtr w. cz. – zmniejsza zakłócenia sieciowe + izoluje źródła zasilania (sieć) przed sygnałem w. cz. z układu przełączającego
Niestabilizowane napięcie stałe podawane jest do wejścia impulsowego stabilizatora napięcia stałego w którym przetwarzane jest w impulsowe prostokątne o częstotliwości powyżej 20kHz (niekiedy do kilkuset kHz) przy pomocy półprzewodników przełączników. Impulsy te są uśredniane przez dolnoprzepustowy filtr LC gromadzący energię zmieniając współczynnik wypełnienia prostokątnego przebiegu sterującego, człon przełączający uzyskuje się regulację napięcia wyjściowego przy dużej sprawności.
Układ regulacji jest systemem z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego, w którym regulację czasu zamknięcia i otwarcia kluczy konwertera dokonuje się stabilizacją napięcia wyjściowego.
Duża sprawność energetyczna zasilacza i wyeliminowanie transformatora sieciowego pozwoliły na znaczące zmniejszenie wymiarów i masy zasilacza, jednak nastąpiła znacząca utrata poważnej zalety w postaci galwanicznego odizolowanego wyjścia zasilacza od sieci zasilającej.
Alternatywnym rozwiązaniem jest impulsowy stabilizator napięcia stałego o wyjściu izolowanym od sieci zasilającej. W zasilaczach o małej objętości i masie i dużej sprawności izolacja od sieci następuje w układzie impulsowego stabilizatora napięcia stałego.
Zasilacz impulsowy ze stabilizowaną przetwornicą DC-DC i wyjściem izolowanym od wyjścia. Beztransformatorowy niestabilizowany zasilacz jest dwupołówkowym cało falowym prostownikiem mostkowym przetwarzającym napięcie przemienne sieci w napięcie stałe.
Filtr w. cz. – zmniejsza zakłócenia sieciowe. Napięcia przemienne sieci po wyprostowaniu przez filtr uśredniający i gromadzący energię podawany jest do układu stabilizatora napięcia
Niestabilizowane napięcie stałe podawane jest do przetwornicy DC-DC zawierającej kluczowany przełącznik, transformator w. cz. i prostownik w. cz. z filtrem.
Napięcie stałe z przerywistością większą od 20kHz podawana jest do uzwojenia pierwotnego uzwojenia. W zależności od konfiguracji przetwornicy wejściowe napięcie stałe jest przetwarzane niesymetrycznie lub symetryczne prostokątne napięcie przemienne. To prostokątne napięcie ??? z uzwojenia wtórnego po przetransformowaniu podawane jest do prostownika w. cz.. Po wyprostowaniu w niefiltrowanym filtrze w. cz.gromadzącym energię. W ten sposób uzyskuje się określone napięcie na wyjściu. Zastosowanie małego transformatora w.cz.z rdzeniem ferromagnetycznym pozwala na galwaniczną izolację między napięciem sieci a wyjściowym dostarcza on wymagany poziom napięcia a ponadto działa jako ogranicznik prądu ładowania i element gromadzący energię magnetyczną. Obie grupy konwerterów napięcia stałego tzn. układy bez izolacji i układy z izolacją napięcia wyjściowego i wejściowego można sklasyfikować ze względu na to w jakim stanie klucza (lub kluczy) przekazywana jest energia do obciążenia. Konwertery w których przekazywanie energii do obciążenia odbywa się podczas włączenia klucza nazywane są konwerterami współbieżnymi. Natomiast konwertery w których energia przekazywana jest do obciążenia w stanie wyłączonym klucza nazywane są konwerterami przeciwbieżnymi.
Zmiany napięcia wyjściowego są kontrolowane w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego które podobnie jak poprzednio zmienia czasy trwania włączenia i wyłączenia elementu przełączającego. Odbywa to się w ten sposób, że zachowana jest stałość napięcia wyjściowego niezależnie od zmian obciążenia i napięcia wejściowego.
W obu układach kontrolery impulsowych stabilizatorów napięcia pracują z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsu PWM lub modulacji częstotliwości PWM.
W przypadku sygnału PWM zmienia się położenie czasowe zbocza przedniego lub tylnego względnie obu zboczy impulsu w zależności od wartości chwilowej napięcia modulującego sygnału błędu w tym przypadku zarówno ??? ??? ??? jak okres i amplituda impulsów są stałe. Ta metoda sterowania określana jest również jako czasowo proporcjonalna o stałej częstotliwości.
W kontrolerze o modelowaniu częstotliwości impulsowy sygnał błędu moduluje chwilową częstotliwość impulsu czyli liczbę impulsów przypadających na jednostkę czasu. W ten sposób sterowania określany jest jako regulacja czasowo proporcjonalna o zmiennej częstotliwości.
matthas