Меню

Непрерывный ток в дросселе

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Дроссель и его параметры

Что такое электрический дроссель?

Дросселем, в общем случае, называют катушку индуктивности, чаще всего с сердечником, которая служит для устранения или уменьшения переменного (импульсного) тока, разделения или ограничения сигналов различной частоты. Исходя из этого, дроссели условно можно разделить на следующие типы:

сглаживающие дроссели, предназначены для ослабления переменной составляющей постоянного тока или напряжения различной частоты, то есть сглаживания пульсаций, на выходе и входе силовых преобразователей или выпрямителей;

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

дроссели переменного тока, предназначены для ограничения электрического тока, при резких изменениях нагрузки, например, при пуске электродвигателей или источников питания;

дроссели насыщения, или управляемые дроссели, предназначенные для регулирования индуктивного сопротивления за счёт изменения тока подмагничивания.

Дроссели, как и любая другая катушка индуктивности, может быть без сердечника, с замкнутым сердечником, с сердечником, имеющим малый зазор и с сердечником, имеющим большой зазор или разомкнутым сердечником. Поэтому в независимости от назначения дросселя его принцип действия основан на электромагнитных свойствах катушки индуктивности и сердечника, на котором она выполнена.

Принцип работы идеального дросселя

Дроссель, как и любой другой элемент электрической цепи, содержит ряд параметров, которые определяются его физическими и конструктивными характеристиками. В зависимости от назначения дросселя одни его характеристики стараются улучшить, а значение других уменьшить. Но, несмотря на характер работы дросселя, его основным параметром является индуктивность, поэтому рассмотрим дроссель, содержащий только один параметр – индуктивность, такой дроссель называется идеальным и он характеризуется следующими допущениями:

— обмотка дросселя не имеет активного сопротивления;

— отсутствует межвитковая ёмкость проводников дросселя;

— магнитное поле в сердечнике однородно, то есть значение индукции и напряженности в различных его точках имеет одинаковое значение.

С учётом таких допущений, представим сердечник, на который намотана катушка.

Идеальный дроссель.

Идеальный дроссель.

Подадим на катушку переменное напряжение U, в результате по катушке потечёт переменный ток I, создающий в сердечнике переменный магнитный поток Φ. Тогда в соответствии с законом самоиндукции в витках обмотки возникнет ЭДС самоиндукции Е. Так как у нас отсутствует активное сопротивление обмотки идеального дросселя, то ЭДС самоиндукции уравновесит напряжение, вызвавшее электрический ток

В тоже время индуктивность, как коэффициент самоиндукции можно определить по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

S – площадь поперечного сечения сердечника,

B – магнитная индукция,

I – величина электрического тока.

Тогда выражение для ЭДС самоиндукции будет иметь вид

Данное выражение показывает, что ЭДС самоиндукции зависит от конструкции и размеров дросселя, а также от скорости изменения магнитного поля (dB/dt).

Так как в идеальном дросселе отсутствуют активные нагрузки, а только индуктивная составляющая, то активная мощность будет равняться нулю. В индуктивном элементе расходуется только реактивная мощность на создание магнитного поля.

Принцип работы реального дросселя

В реальном дросселе, в отличие от идеального, кроме индуктивности имеется ещё рад параметров, вносящих активную составляющею мощности. Рассмотрим реальный дроссель

Магнитные силовые линии реальной катушки

Магнитные силовые линии реальной катушки.

Поступающий в дроссель переменный ток возбуждает вокруг катушки переменное магнитное поле, определяемое магнитным потоком Φ. В идеальном дросселе он полностью замыкается через сердечник Φ, но в реальности к нему добавляется магнитный поток рассеяния, охватывающий как витки по отдельности, так и группы витков провода. Он зависит от расположения витков, сечения провода, плотности укладки витков провода и так далее. Поток рассеивания достаточно трудно выразить количественно, поэтому для его характеристики вводят понятие потокосцепление рассеяния ΨS, который можно выразить через индуктивность рассеяния LS обмоток дросселя

В соответствии с законом электромагнитной индукции, поток рассеяния возбуждает ЭДС рассеяния

Поток рассеяния в дросселе негативно влияет на работу устройств, так как вызывает паразитные шумы, наводки и потери мощности в целом.

Кроме потерь реактивной мощности потоками рассеяния, в реальном дросселе происходят потери активной мощности в сопротивлении витков обмотки и потерях в сердечнике, обусловленных его ферромагнитными свойствами.

Эквивалентная схема дросселя

Для анализа работы реального дросселя создадим схему замещения, которая учитывает его основные и паразитные параметры.

 Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров

Эквивалентная схема дросселя с учётом паразитных параметров.

Таким образом, на характеристики дросселя кроме собственной индуктивности дросселя L, являющейся основным параметром, так сказать полезным, присутствует паразитная индуктивность LS, обусловленная потоком рассеяния, активное сопротивление R обмоточного провода, межвитковая ёмкость С обмотки дросселя, а также проводимости gμ. Проводимость gμ характеризует мощность, которая затрачивается на перемагничивание сердечника, из-за наличие петли гистерезиса.

Уравнение соответствующее эквивалентной схеме будет иметь вид

Как видно на схеме ток в дросселе состоит из двух составляющих: Iμ – ток отвечающий за создание основного магнитного потока Φ и Iа – ток, учитывающий потери мощности при перемагничивании и нагрев сердечника

где РС – мощность потерь в сердечнике.

Основной параметр дросселя – индуктивность L определяется по выражениям для индуктивностей различных типов, например, индуктивность без сердечника, индуктивности на замкнутых сердечниках, индуктивности на сердечниках с зазором и индуктивности на разомкнутых сердечниках.

Остальные параметры определить несколько сложнее. Рассмотрим определение данных параметров.

Как рассчитать межвитковую ёмкость обмотки дросселя?

В дросселе, между витками, слоями и металлическими предметами вокруг дросселя существует некоторая разность потенциалов, создающих электрическое поле. Для оценки влияния данного поля вводят понятие межвитковой ёмкости или собственной ёмкости дросселя, величина которой зависит от размеров и конструктивных особенностей дросселя.

Межвитковая ёмкость C обмотки, являясь паразитным параметром, совместно с индуктивностью рассеивания и собственной индуктивностью дросселя образуют различные виды фильтров и колебательных контуров. Хотя данный параметр имеет небольшое значение, тем не менее, в определённых условиях его приходится учитывать, однако точный расчёт затруднён в связи с большим влиянием различных конструктивных параметров, в первую очередь, взаимного расположения витков провода между собой. Так наибольшей межвитковой ёмкостью обладают катушки намотанные «внавал», а наименьшей – катушки с намоткой типа «Универсаль» или секционные катушки.

Межвитковую емкость Собщ дросселя можно представить в виде суммы емкостей между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом С1 и межслоевой емкости внутри обмотки С2

Ёмкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом можно определить из эмпирической формулы

где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды вокруг проводника, εа = εεr,

εr – относительная диэлектрическая проницаемость,

ε – электрическая постоянная, ε = 8,85 * 10 -12 Ф/м,

r – радиус поперечного сечения провода,

а – расстояние между магнитопроводом и осью провода,

Читайте также:  Определить силу тока проходящего через r4 если общее напряжение равно 12 в

n – число витков в слое,

р1 – периметр витка внутреннего слоя обмотки.

Относительная диэлектрическая проницаемость берётся для материала каркаса дросселя, если бескаркасное исполнение, то соответственно проницаемость воздуха либо изоляции проводника, в зависимости от необходимой точности.

Емкость между слоя обмотки так же вычисляется по эмпирической формуле

где рср – периметр среднего витка обмотки,

b – расстояние между осями витков в соседних слоях,

В данном случае диэлектрическая проницаемость берётся для материала межслоевой изоляции.

Во всех случаях необходимо добиваться уменьшения межвитковой ёмкости обмотки. Для этого применяют различные виды намоток и материалов для каркасов и межслоевой изоляции с малым значением диэлектрической проницаемости.

Как рассчитать индуктивность рассеяния дросселя?

Индуктивность рассеяния LS, также как и межвитковая ёмкость, является паразитным параметром и негативно влияет на индуктивные элементы, в частности на дроссель. Индуктивность рассеяния вместе с межвитковой емкостью образуют фильтр нижних частот, вызывающий уменьшение амплитуды переменного напряжения и тока на высоких частотах. Данное обстоятельство приводит к тому, что увеличиваются активные потери мощности и происходит нагрев дросселя.

Индуктивность рассеяния зависит от типа конструкции дросселя и его размеров и может быть определена по следующему выражению

где μ – относительная магнитная проницаемость, μ = 4π*10 -8 ,

рср – периметр среднего витка обмотки,

w – количество витков провода в дросселе,

l – длина намотки,

h – толщина намотки.

В большинстве случаев необходимо добиваться уменьшения индуктивности рассеяния, для чего стараются как можно плотнее уложить провод в намотке, уменьшения количества слоёв обмотки дросселя и увеличения длины намотки. В идеале стремятся использовать однослойные обмотки, если это возможно.

Стоит отметить, что приведённые выражения для определения паразитных параметров межвитковой ёмкости С и индуктивности рассеяния LS являются ориентировочными и могут в различных случаях давать погрешность порядка 20 %. Поэтому при необходимости знать точное значение их определяют экспериментальным путём различными способами.

На сегодня всё, а в следующей статье я расскажу о потерях мощности и нагреве дросселей при работе.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Дроссели

Назначение и конструкция дросселей

Что такое дроссель?

Электрический дроссель — устройство, представляющее собой катушку индуктивности и предназначенное для ограничения переменной составляющей электрического тока. Другими словами, если ток в электрической цепи содержит постоянную и переменную составляющие то дроссель, последовательно включенный в эту электрическую цепь, за счёт своей индуктивности и большого сопротивления для переменного тока, значительно его снижает, а на постоянную составляющую тока, влияет минимально, за счёт низкого сопротивления постоянному току.

Типовая схема включения низкочастотного дросселя в фильтр анодного питания

Рис. 1 Типовая схема включения низкочастотного дросселя в фильтр анодного питания

Дроссели позволяют запасать электрическую энергию в магнитном поле. Типичное их применение — сглаживающие фильтры и различные селективные цепи. Их электрические характеристики определяются конструкцией, свойствами материала магнитопровода, его конфигурацией и числом витков катушки.
При выборе дросселя следует учитывать следующие характеристики:

  • требуемое значение индуктивности (Гн, мГн, мкГн, нГн);
  • максимальный ток катушки;
  • допуск (величину отклонения от исходного значения) индуктивности;
  • температурный коэффициент индуктивности (ТКИ);
  • активное сопротивление провода катушки дросселя;
  • добротность дросселя, которая определяется на рабочей частоте как отношение индуктивного и активного сопротивлений;
  • частотный диапазон катушки.

В зависимости от диапазона частот технически различаются высокочастотные и низкочастотные дроссели

Высокочастотные дроссели подразделяются на два типа:

  • с постоянным значением индуктивности;
  • с переменным значением индуктивности, за счет подстраиваемого ферромагнитного сердечника.

Первый тип применяется, как правило, во входных цепях телефонных аппаратов, в сглаживающих фильтрах, в цепях питания ВЧ аппаратуры. Второй тип катушек используется в резонансных цепях – ВЧ, трактах приемных и передающих устройств.

В ламповых усилителях звуковой частоты высокочастотные дроссели, применяются крайне редко. Как правило их использование может быть предопределено схемотехникой выходных каскадов, построенных на высокочастотных пентодах большой мощности, предрасположенных к самовозбуждению на радиочастотах.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Конструкции дросселей высокой частоты показаны на рис. 2. Для дросселей длинных (а, б) и средних (б, в) волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких (г) волн и для метровых (д) волн обычно имеют однослойную намотку — сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от сопротивлений ВС-0,5 и ВС-1,0.

Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек

Рис. 2 Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек

Высокочастотный дроссель можно изготовить самостоятельно, намотав необходимое количество витков, для получения нужной индуктивности на керамический или фторопластовый сердечник. Рассчитать необходимое количество витков можно по формулам, приведенным в разделе Индуктивности. Катушки с малой индуктивностью.

Лучше использовать, выпускаемые промышленностью ВЧ дроссели. Они имеют понятную яркую цветовую маркировку и отличаются высокой добротностью.

Цветовая маркировка высокочастотных дросселей

Рис. 2 Цветовая маркировка высокочастотных дросселей

Низкочастотные дроссели — предназначены для подавления низкочастотной составляющей переменного тока питающей сети и его гармоник. На рисунке 3, представлен низкочастотный дроссель, индуктивностью 3 Гн при токе подмагничивания 120 ma.

Рис. 3 Низкочастотный дроссель промышленного производства

Дроссели лучше, и проще всего использовать заводские, предпочтительнее от старых ламповых телевизоров Темп-6, Темп-6М, Темп-7, Рубин-102, Авангард, Беларусь, или других аналогичных по характеристикам старых телевизоров. Но если стоит задача изготовить ламповый усилитель высокого качества и надёжности своими руками, то дроссель придётся рассчитать, по приведенной ниже методике, и изготовить его самостоятельно. Принципиально новым подходом в современной ламповой схемотехнике, может оказаться требование обязательной настройки дросселей фильтра питания в резонанс на частоту 100 Гц. Это необходимо для повышения эффективности фильтрации выпрямленного напряжения.

Расчет низкочастотного дросселя для анодного источника питания

Дроссель — это важный элемент блока питания лампового усилителя. Совместно с электролитическими конденсаторами, он входит в состав П – образного низкочастотного фильтра и становится незаменимым элементом в цепи анодного питания усилителя класса Hi-End. В зависимости от мощностных характеристик усилителя и его качественных показателей, размеры дросселя могут сильно варьировать и доходить до половины размеров силового трансформатора.

Некоторые параметры, встречающиеся в расчетных формулах:
F — частота, Гц;
Sc — площадь сечения сердечника, кв. см;
Кс — коэффициент заполнения сердечника сталью;
Sok — площадь сечения окна, кв. см;
Кок — коэффициент заполнения окна медью;
Вт — максимальная индукция в сердечнике, Тл;
J — плотность тока в проводах, А/кв. мм.
I — постоянный ток в проводе обмотки дросселя, А.

Главный параметр дросселя — его постоянная времени, отношение индуктивности к сопротивлению обмотки L/R. Чем выше требуется эта величина, тем больше должны быть габариты магнитопровода, чтобы провод нужного диаметра и длины поместился в окне сердечника.

Читайте также:  Что такое смолл ток

Индуктивность дросселя рассчитывается по уже известной формуле:

Индуктивность дросселя

При неизменной степени постоянного подмагничивания индук­тивность получается максимальной при определенной длине немаг­нитного зазора lz. От величины этого зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника:

От величины немагнитного зазора зависит эквивалентная магнитная проницаемость сердечника

В присутствии постоянного подмагничивания lz уже не является независимой переменной. Ключевой величиной в расчете дросселей и трансформаторов является степень подмагничивания или количество погонных ампервитков (aw0).

Количество погонных ампер - витков

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0, приведена ниже:

Формула связи напряженности магнитного поля с инженерной величиной aw0

Предлагаемый алгоритм расчета основан на экспериментальном графике зависимости магнитной проницаемости от aw0 рисунок 4.

Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от степени подмагничивания

Рис. 4 Экспериментальный график зависимости начальной магнитной проницаемости от aw0

Эти графики соответствуют массовым маркам сталей. Высококачественная сталь имеет в несколько раз большую магнитную проницаемость, однако в большинстве случаев рассчитывать на это не приходится. На графике показана зависимость начальной (т. е. в Отсутствие переменного магнитного поля) магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, выраженного в ампервитках на сантиметр. В системе СИ напряженность измеряется в амперах на метр. Следует помнить, что точки на графике соответствуют разным зазорам. Более высокие напряженности требуют большего зазора. В начале расчета величины aw0 и, соответственно, μ z не известны. Количество витков в обмотках может быть получено методом последовательных приближений по формуле:

Количество витков в обмотке дросселя

Для этого в формулу подставляются параметры трансформатора, требуемая индуктивность и пробная величина μ проб, по полученному количеству витков вычисляется степень подмагничивания aw0. По графику μ (aw0) находится μ z, вместо графиков при машинных расчетах можно использовать аппроксимирующие уравнения:

Для горячекатанной стали

Аппроксимирующее уравнение для определения действующей магнитной проницаемости для горячекатанной стали

Для холоднокатанной стали

Аппроксимирующее уравнение для определения действующей магнитной проницаемости для холоднокатанной стали

Пробная μ проб корректируется и снова просчитывается количество витков. Эта процедура проделывается несколько раз до тех пор, пока изменение количества витков от просчета к просчету не будет незначительным (несколько процентов). В большинстве случаев достаточно двух-трех проходов. Если новое значение больше старой μ проб, то μ проб следует увеличить так, чтобы она стала немного больше μ z и наоборот. В конце расчета необходимо убедиться, что получившиеся L, N удовлетворяют требованию конструктивной реализуемости. Для этого вычисляется максимальное сечение провода S, которое можно разместить в окне:

Максимальное сечение медного провода, которое можно разместить в окне стального магнитопровода

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя, рассчитывается по формуле:

Плотность тока в медном проводнике обмотки дросселя

Если плотность тока J не превышает обычных 1,5—2 А/кв. мм, то расчет можно считать оконченным, так как не требуется точного соответствия сопротивления оболочки заданному. Количество витков не должно превышать 3500—4000. При необходимости следует выбрать другой типоразмер магнитопровода и повторить расчет. При сборке намотанного дросселя необходимо уложить в зазор немагнитную прокладку нужной толщины. Точное соблюдение и подбор величины зазора необходимо только для выходных трансформаторов. Для дросселей вполне достаточно точности эмпирической формулы, приведенной ниже. Величина зазора рассчитывается в мм:

Эмпирическоая формула для приблизительного рассчета толщины немагнитного зазора в миллиметрах

Намотка катушек дросселей не имеет особенностей. В большинстве случаев (для дросселей блоков питания) нет необходимости даже в межслоевой изоляции. Обмотка обычно находится под высоким потенциалом, поэтому она должна быть хорошо изолирована от сердечника. Пропитка дросселей, как правило, необходима, чтобы избежать гудения. Результаты расчета дросселя на очень распространенном и дешевом сердечнике от выходного трансформатора лампового телевизора Ш 16×25 с размером окна 16 х 40 мм, приведены в таблице №1:

Источник

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку. Часть 1

Александр Русу, Одесса

В технической документации на микросхемы контроллеров импульсных преобразователей можно найти целые разделы, посвященные режиму «легкой» нагрузки (Light Load), при котором выходной ток значительно меньше номинального или вообще отсутствует (Low Output Current Conditions). Современные контроллеры при легкой нагрузке могут работать в режиме пропуска импульсов (Pulse Skipping Mode), пакетном режиме (Burst Mode), режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode), режиме принудительной непрерывной проводимости (Forced Continuous Conduction Mode) и других менее распространенных режимах. Некоторые микросхемы поддерживают несколько режимов работы, что позволяет оптимизировать характеристики преобразователя в зависимости от конкретной ситуации.

Наличие многих вариантов показывает, что работа при легкой нагрузке имеет свои особенности. Пытаясь разобраться в этом вопросе с помощью специализированной литературы, можно заметить, что все авторы выделяют два режима работы силовой части, в зависимости от характера тока (или магнитного потока) силового дросселя (Рисунок 1). В безразрывном режиме (режим непрерывной проводимости, Continuous Conduction Mode – CCM) ток в дросселе на протяжении всего периода преобразования непрерывен, в отличие от разрывного режима (прерывистого, Discontinuous Conduction Mode – DCM), при котором ток в дросселе отсутствует в течение некоторого времени. И если с анализом электрических процессов в безразрывном режиме проблем не возникает – полученные результаты совпадают у авторов всех континентов, национальностей и вероисповеданий, – то с анализом безразрывного режима, наступающего при легкой нагрузке, все непросто. Авторы единодушны в том, что процессы в этом режиме гораздо сложнее, и поэтому либо не рассматривают этот вопрос, либо приводят сложные и малопонятные объяснения того, что происходит в силовой части схемы.

Рисунок 1. Магнитный поток дросселя при безразрывном
и разрывном режимах работы.

Так в чем же особенность легкой нагрузки? Ведь если при преобразовании 100% мощности проблем не возникает, то почему они появляются при преобразовании 1%? В реальном мире обычно так не бывает. Если сумка не рвется, когда в ней находится 10 кг содержимого, то она точно не порвется от груза весом 100 г. Аналогично, если автомобиль грузоподъемностью 3 т загрузить мешком весом 30 кг, то никаких проблем в поездке возникнуть не должно.

Но к импульсным преобразователям это не относится. Для этих схем процессы при преобразовании 1% мощности значительно отличаются от процессов при полной загрузке. И, возможно, этот вопрос не требовал бы столь подробного внимания, если бы в последнее время не появились приложения, требующие двунаправленного преобразования энергии, реализация которого невозможна без детального понимания особенностей режима легкой нагрузки. В числе таких приложений преобразователи переменного напряжения (AC/AC конвертеры), ведомые сетью инверторы для солнечных и ветряных электростанций, контроллеры питания устройств, работающих от аккумуляторов и другие.

В этой статье рассмотрены особенности работы импульсных преобразователей во всех возможных, с точки зрения направления передачи энергии, режимах:

  • передачи – когда энергия передается с входа преобразователя на его выход,
  • холостого хода – когда энергия не передается,
  • рекуперации – когда энергия передается в обратном направлении – с выхода на вход.
Читайте также:  Почему бьет током при прикосновении ко всему металлическому

Детальный анализ рассматриваемых процессов приведен в работах [1, 2]. При желании более фундаментально изучить этот вопрос, читатель может самостоятельно ознакомиться с предложенными материалами. Некоторые моменты, например, почему рассматривается обратноходовой преобразователь, также будут более понятны, если ознакомиться со статьями, уже опубликованными в журнале РадиоЛоцман [3 – 5].

Режим передачи электрической энергии

Рассмотрим работу идеализированного (собранного на элементах с идеальными характеристиками и отсутствием каких-либо потерь) обратноходового преобразователя. В самом распространенном режиме, назовем его режимом передачи, электрическая энергия передается в одном направлении: с входа преобразователя на его выход.

В этом режиме энергия из источника питания в нагрузку поступает порциями (импульсами) величиной WИМП. Пусть за секунду через преобразователь проходит NИМП порций энергии. Каждая порция преобразуется в два этапа (Рисунок 2). На первом этапе энергия величиной WИМП через замкнутый ключ S1 передается из электрического поля конденсатора С1 в магнитное поле дросселя L1, а на втором – из магнитного поля дросселя L1 через замкнутый ключ S2 в электрическое поле конденсатора С2.

Рисунок 2. Режим передачи.

Нагрузка, подключенная к выходу преобразователя, потребляет энергию из конденсатора С2 со скоростью РН. Количество энергии в конденсаторе WC2 и напряжение на его обкладках связаны:

UВЫХ – напряжение на конденсаторе С2, равное выходному напряжению преобразователя;
СС2 – емкость конденсатора С2.

Большинство преобразователей стабилизируют выходное напряжение, поддерживая его, а, следовательно, и количество энергии в конденсаторе С2, постоянным. Очевидно, что для этого должно соблюдаться условие:

Если условие (2) не выполняется, тогда количество энергии в конденсаторе С2 будет либо постоянно увеличиваться (если РН WИМПNИМП) до тех пор пока или не установится новый баланс мощности (вплоть до РН = WИМПNИМП = 0), или что-нибудь не сломается, ведь постоянное увеличение напряжения на конденсаторе рано или поздно приведет к пробою диэлектрика.

При легкой нагрузке мощность РН стремится к нулю, поэтому контроллеру для предотвращения увеличения напряжения на выходе необходимо уменьшить либо NИМП, либо WИМП, либо и то и другое сразу.

Контроллеру проще всего изменить NИМП. В этом случае при нормальной нагрузке количество импульсов соответствует частоте преобразования (NИМП = fПР), а при легкой нагрузке часть циклов пропускается (NИМП 2 AL, где N – количество витков).

Рисунок 4. Параметры магнитного потока дросселя.

Ключ S1 замыкается на некоторое время t1, на протяжении которого к обмотке W1 дросселя L1 приложено входное напряжение UВХ, под действием которого, согласно закону Фарадея, магнитный поток в дросселе изменяется на величину ΔФ (Рисунок 4):

где N1 – количество витков обмотки W1.

Таким образом, к моменту размыкания ключа S1 магнитный поток в дросселе достигнет величины ФКОН:

которому соответствует энергия WКОН:

Вычитая из (6) энергию дросселя в момент замыкания ключа S1 (3), получим количество энергии, переданное в дроссель из конденсатора C1:

где ФСР – среднее значение магнитного потока на интервале t1:

Из формулы (7) видно, что мощность, потребляемая нагрузкой, влияет на параметры магнитного потока в дросселе. Для того чтобы при легкой нагрузке уменьшить WИМП, необходимо уменьшать либо постоянную ФСР, либо переменную ΔF составляющие магнитного потока.

Величина ΔФ определяется (4). Из всех компонентов этой формулы контроллер может изменить только длительность t1, ведь практически во всех преобразователях ключ S1 управляемый. Однако от t1 зависит также и выходное напряжение, которое для обратноходового преобразователя определяется формулой:

N2 – количество витков обмотки W2;
t2 – длительность замкнутого состояния ключа S2.

Поэтому, для того чтобы выходное напряжение не изменилось, вместе с t1 необходимо изменять и t2 так, чтобы соотношение t1/t2 оставалось одинаковым (Рисунок 5). Но при использовании в качестве ключа S2 неуправляемого полупроводникового диода возможность управления длительностью t2 отсутствует. И пусть даже t2 уменьшается автоматически, и контроллер может обеспечить нужное соотношение t1/t2, все равно, уменьшать t1, даже вместе с t2, можно только до определенных пределов. Рано или поздно наступит такой момент, когда или t1, или t2 станут меньше чем время, необходимое для переключения ключей, ведь на практике они не идеальны.

Рисунок 5. Магнитный поток дросселя в разрывном режиме.

Вот и получается, что в разрывном режиме, в котором используется этот метод регулирования, преобразователь в принципе не может стабилизировать напряжение без нагрузки, когда РН = 0, t1 = 0 и t2 = 0. Если контроллер дополнительно не поддерживает режим пропуска импульсов, то силовая часть должна обязательно иметь некоторую минимальную нагрузку, при которой еще можно как-то поддерживать выходное напряжение в требуемых пределах, иначе оно будет неуправляемым. Для этого на выходе обычно устанавливают создающий дополнительные потери резистор.

Источник



Режим непрерывного тока в дросселе

Временные диаграммы токов и напряжений ОШИП с последовательным ключевым элементом для режима непрерывного тока приведены на рис.8.2.

Длительность открытого состояния транзистора tи регулируется в пределах 0 > Т (где r — активное сопротивление обмотки дросселя), то можно считать линейным закон изменения тока в обмотке дросселя (iL2) на соответствующих интервалах времени (см. рис. 8.5). Тогда на интервалах замкнутого и разомкнутого состояний транзистора VT ток через обмотку дросселя, а, следовательно, и ток через транзистор и через диод изменяются в соответствии с выражениями:

Рис.8.6— Регулировочная характеристика ОШИП при непрерывном токе нагрузки

Отсюда с учетом того, что при t=tи ток, протекающий через обмотку дросселя L2, достигает величины iL=Imax, определим максимальное и минимальное значения тока, протекающего через обмотку этого дросселя:

где знак минус соответствует минимальному, а плюс — максимальному значению тока.

Напомним, что γ =tи/T– коэффициент скважности.

Среднее значение тока через дроссель L2 за период Т

Среднее значения тока через транзистор VT

Среднее значения тока через диод VD

Напряжение на транзисторе Uкэ и на шунтирующем диоде UVD в выключенном состоянии равно напряжению на входе преобразователя:

Расчетная мощность транзистора Рк, показывающая степень использования транзистора по отношению к мощности нагрузки, при пренебрежении пульсациями тока в дросселе:

Отсюда следует, что наилучшее использование транзистора по мощности имеет место при коэффициенте скважности γ → 1.

Найдем критическое значение тока нагрузки, которое при заданной индуктивности дросселя L2 еще поддерживает режим непрерывного тока нагрузки. С этой целью полагаем Imin = 0, тогда

Аналогично можно найти критическую индуктивность, Lкр, которая при заданном токе нагрузки еще поддерживает режим непрерывного тока в нагрузке

Источник