книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами

на последовательно включенные первичные обмотки транс­ форматоров Т0— Тн, вторичные обмотки которых через индивидуальные выпрямители UD0— UDn и выходной LC-фильтр включены параллельно нагрузке RH. Коэффи-

ив.

ветственно этому через выпрямители UDi — UDn проте­

кают токи, составляющие такую же долю тока выпрями­ теля UD0.

При максимальном напряжении источника Un все ре­ гулирующие транзисторы VT\ — VTn заперты устройством управления У, через UD0— UDn протекают токи, обеспе­

чивая на нагрузке заданный уровень напряжения.

При уменьшении 0„ начинает уменьшаться выходное

напряжение преобразователя,, из У в базу транзистора VT\ поступает увеличивающийся ток, . вследствие чего транзистор VT\ из области отсечки входит в активный ре­

жим. Через его коллекторный переход и выпрямитель UD'\ протекает ток, приводящий к уменьшению напряже­ ния на обмотках трансформатора Т\ и, следовательно, к

увеличению напряжения на обмотках остальных транс-

форматоров, что компенсирует уменьшение напряжения источника 0 П. Таким образом, У, воздействуя на тран­ зистор VT\y поддерживает неизменным выходное напря­

жение СППР.

При дальнейшем уменьшении напряжения Un транзис­ тор ]/Т\ входит в область насыщения, напряжение на об­ мотках Т\ становится близким к нулю, выходное напря­

жение СППР несколько уменьшается (в пределах задан­ ной нестабильности) и У переводит в активный режим работы транзистор F7Y Таким образом, в этом диапазоне изменения напряжения Un регулятором становится тран­ зистор VT2, а после его насыщения— транзистор VT3

и т. д.

При минимальном значении входного напряжения в насыщенном состоянии окажутся все регулирующие тран­ зисторы, кроме последнего Тп. При этом ток в нагрузку будет поступать лишь через выпрямитель UD0. В случае увеличения напряжения источника Un регулирующие

транзисторы поочередно перейдут, в закрытое состояние, возникшее напряжение на обмотках ранее шунтирован­ ных трансформаторов скомпенсирует увеличение цитающего напряжения, а- выходное напряжение останется не­ изменным.

Доля потери мощности на регулирование от потреб­ ляемой мощности СППР не превышает долю напряжения, приходящего на один из дополнительных трансформаторов. Поэтому КПД СППР останется высоким во всем диапа­ зоне изменения питающего напряжения и будет опреде­ ляться соотношением

2С/1Р — сумма напряжений на первичных обмотках транс­ форматоров, отдающих ток в нагрузку в данный момент; St/i — суммарное напряжение на всех первичных обмот­ ках трансформаторов.

Учитывая, что коэффициент трансформации трансфор­ матора Кт, равен отношению напряжений первичной и вто­

ричной обмоток, а также принимая во внимание, что вто­ ричные обмотки всех трансформаторов соединены парал­

где ЕКтр — сумма коэффициентов трансформации транс­ форматоров, отдающих ток в нагрузку в данный момент; Е/Ст — сумма коэффициентов трансформации трансформа­ торов Т0— Тп.

Рабочие токи и напряжения регулирующих транзистб' ров не зависят от напряжений и токов на входе и выходе СППР и могут выбираться оптимальными с точки зрения лучшего использования транзисторов. Иллюстрацией этому служит рис. 24,а, б, на котором приведены два варианта схем ПРЭ соответственно для относительно высокого и низкого выходного напряжения СППР.

Рис. 24. Варианты схем ПРЭ:

коэффициентов трансформации должен производиться с учетом величины и характера отклонения £/„. Если Un

может принимать равновероятные значения во всем диапазоне отклонений, т. е. любое отклонение — длительное и Д з=Д 4= Д 5= Л б = 0, целесообразно использовать дополни­

тельные трансформаторы с одинаковыми коэффициентами трансформации.

В этом случае напряжение первичной обмотки любого из трансформаторов Т\ — Тп должно выбираться из соот­

где 2 £/i,rt—. сумма напряжений первичных обмоток транс­ форматоров Т\—ТПу определяемых иа (109).

Если Д6=7^0, то для компенсации таких отклонений Un

целесообразно использовать отдельный трансформатор с напряжением на его первичной обмотке

£ /,= ( Дб—Д2)£/п,

что позволяет уменьшить общее количество трансформа­ торов и сохранить высокий КПД СППР. Например, при отклонении величины Un в пределах Д |=Д 2=0,1 и Де—0,3

можно обойтись всего тремя дополнительными трансфор­ маторами. Согласно приведенным соотношениям и реко­ мендациям на первичной обмотке одного из них'(при за­ крытом состоянии соответствующего регулирующего тран­ зистора) должно падать 20% входного напряжения, а на

тельными отклонениями напряжения как длительного, так и кратковременного характера. Такой СППР имеет повы­ шенный КПД в широком диапазоне изменения питающего напряжения и позволяет обеспечить гальваническую изо­ ляцию входа от выхода без дополнительных элементов гальванической развязки.

14. СППР С ДИСКРЕТНО ИЗМЕНЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ

Рассмотренные в предыдущем параграфе СППР с не­ прерывными РЭ имеют принципиальный недостаток — от­ носительно большую мощность потерь на регулирование, что требует применения специальных мер для отвода вы­ деляемой теплоты и вызывает необходимость увеличения габаритных размеров.

Если от СП не требуется высокой стабильности выход­ ного напряжения, непрерывные' РЭ могут быть заменены на многопозиционный регулятор, позволяющий дискретно изменять коэффициент передачи СП.

Такой принцип регулированияпо сравнению с непре­ рывным регулированием дает возможность увеличить КПД и уменьшить габаритные размеры СППР и улучшить его динамические качества по сравнению с СП, в.которых реализуется традиционное импульсное регулирование. По­ следнее объясняется тем, что для получения одинаковой переменной составляющей на выходе СП его выходной фильтр при условии применения 'многопозиционного регу­ лятора может иметь существенно меньший коэффициент сглаживания и, следовательно, вносить меньшее запазды­ вание в контур регулирования. Покажем это, сравнив па­ раметры сглаживающих фильтров СППР с дискретно из­

При сравнении будем полагать, что оба СП имеют, одина­ ковые значения номинальнрго выходного напряжения UHf

частоты на входе сглаживающего фильтра f, амплитуды

Рис. 25. Схема СППР с дискретно изменяемым коэффициентом передачи с РЭ, включенными на входе

При максимальном напряжении источника £/„ транзи­ сторы VTm и VTK обесточены. Работают все ПЯ, напря­ жение и п распределено между ПЯ в соответствии с отно­

шением чисел витков первичных обмоток трансформато­ ра 7\

При уменьшении напряжения источника Un транзи­ сторы VTm поочередно переводятся в насыщенное состоя­

ние, что приводит к перераспределению входного напря­ жения между работающими ячейками и, таким образом, к компенсации отклонения выходного напряжения СГ1ПР. Точность стабилизации выходного напряжения определя­ ется наибольшим приращением ЭДС, наводимой во вто­ ричной обмотке трансформатора при шунтировании одной из ячеек. С целью обеспечения требуемой точности стаби­ лизации выходного напряжения минимальным числом яче­ ек числа витков первичных обмоток трансформатора в коммутируемых ячейках выбирают как члены геометриче­ ской прогрессии. При этом путем различных комбинаций замкнутых и разомкнутых ПЯ молено получить большое число различных значений общего коэффициента переда­ чи СППР и, следовательно, обеспечить компенсацию влия­ ния значительных отклонений Un ступенями минимальной

амплитуды, что позволит повысить точность стабилизации выходного напряжения СППР.

Конденсатор С предназначен для выравнивания на­

пряжений на ячейках в моменты коммутации их транзи­ сторов, а также для приема рекуперированной энергии из вторичной цепи. Диод VD исключает прохождение короткоэамкнутных инверсных токов через УТЩ.

При необходимости исключения ячеек, расположенных выше последней работающей, замыкают дополнительные ключи VT1U шунтирующие одновременно несколько ячеек.

Это снижает статические потери в ключах и уменьшает их расчетную мощность.

Преимуществом схемы рис. 25 является наличие всего одного силового трансформатора, что особенно важно при микроминиатюризации СП. Однако большое количество транзисторных ключей, находящихся под различными по­ тенциалами, существенно усложняет схему их управления.

Наиболее предпочтительной областью использования такого СППР следует считать ИВЭП с невысокой ста­ бильностью выходного напряжения, с питанием от пер­ вичного источника напряжением до 100 В, что позволяет управлять ключами с помощью серийно выпускаемых' транзисторных оптопар.

В СППР с дискретно изменяемым коэффициентом пе­ редачи, как и в СППР с непрерывным регулятором, регу­ лятор может быть включен на его выходе [30]. При этом, поскольку Bqe шунтирующие транзисторы, осуществляю­

щие регулирование выходного напряжения, имеют общую точку, существенно упрощается устройство управления

преобразуется ПЯ в переменное напряжение прямоуголь­ ной формы, которое распределяется между, первичными обмотками трансформаторов Т0— Тп в соответствии с их

коэффициентами трансформации. При включении какоголибо из коммутирующих ключей VTi — VTn через соответ­ ствующий выпрямитель UD\ — UDn закорачивается вто­ ричная обмотка одного из трансформаторов Т\ — Тп, что

приводит к скачкообразному уменьшению почти до нуля напряжения на его первичной обмотке. Выходное напря­ жение ПЯ перераспределяется между остальными транс­ форматорами, что вызывает повышение выходного напря­ жения СППР. Выбрав коэффициенты трансформации за­ корачиваемых трансформаторов в соотношении 1 :2:4 .-.., как и в схеме рис, 25, можно получить большое число раз­ личных значений коэффициента передачи СППР. Всякий раз при переходе от одного значения коэффициента пере-

дачи к другому путем переключения шунтирующих тран­ зисторов в определенной последовательности можно до­ биться, что скачкообразное увеличение напряжения на входе сглаживающего фильтра не будет превышать значе­ ния, определяемого трансформатором с наименьшим коэф­ фициентом трансформации. Выбор нужной комбинации замкнутых или разомкнутых состояний ключей V'l\ — VTn

обеспечивается схемой управления У, структуракоторой приведена на рис. 26 и содержит пороговые устройства П\

и Я2, генератор тактовых импульсов ГЯ, реверсивный счетчик PC и согласующие схемы Сi — Сп. Выходы уст-

Рнс. 26. Схема устройства управления СППР с дискретно изменяемым коэффициентом передачи

ройств Я1 и Я2 подключены к вычитающему входу и входу сложения PC соответственно. Выход первого разряда счет­ чика через схему С\ управляет ключом VT\, шунтирующим

трансформатор с наименьшим коэффициентом трансфор­ мации, а выход каждого следующего разряда счетчика через соответствующую схему согласования управляет транзистором, шунтирующим трансформатор с коэффици­ ентом трансформации в 2 раза большим, чем коэффициент

трансформации предыдущего трансформатора. Элементы * /7i и Я2 настроены таким образом, что на их выходах сиг­

налы появляются только при отклонении выходного напря­ жения СППР соответственно в сторону увеличения и уменьшения от заданных предельных значений. Если вы­ ходное напряжение СППР находится в заданных npeAei лах, то на обоих выходах Я i и Я2 сигналы отсутствуют и PC сохраняет свое состояние.

Если выходное напряжение СППР по каким-либо при­ чинам увеличивается и выходит за допустимые пределы, срабатывает Я ь на его выходе появляется сигнал, и в мо­ мент прихода импульса от ГИ из имеющегося числа в

счетчике вычитается единица. В соответствии с новым со-

стоянием PC переключаются транзисторы V'J\ — VTa.

В результате выходное напряжение СППР уменьшается на значение, определяемое трансформатором с наимень­ шим коэффициентом трансформации.

Аналогично при уменьшении напряжения на выходе СППР срабатывает Л2> изменяется состояние PC, пере­ ключаются транзисторы VTi— VTn, что вызывает возрас­

тание выходного напряжения СППР.

Нели в результате однократного переключения транзи­ сторов изменение выходного напряжения^ оказалось недо­ статочным, то в PC записывается еще одна единица и т. д.,

пока выходное напряжение СППР не окажется внутри за­ данного допуска.

Стабильность выходного напряжения такого СП тем

выше, чем больше-число коммутируемых трансформаторов и меньше диапазон изменения напряжения источника Un. Количество коммутируемых трансформаторов п равно чис­

лу используемых разрядов реверсивного счетчика и связа­ но с числом значений коэффициента передачи СППР (с числом позиций регулятора) N соотношением N = 2”. Тог­

да, поскольку весь диапазон изменения входного напряже­

нагрузке.

Однако число коммутируемых трансформаторов нельзя увеличивать безгранично, так как при этом резко возрас­ тают требования к точности их коэффициентов трансфор­ мации. Последнее объясняется тем, что равенство ступе­ ней во всем диапазоне работы регулятора осуществимо только при строгом выполнении соотношения 1:2:4... в приращениях напряжений, вызванных включением каждо­ го последующего транзистора ‘VT{— VTn. Эти приращения

рпределяются главным образом точностью реальных зна­ чений коэффициентов трансформации коммутируемых трансформаторов (влияние остальных факторов можно свести к минимуму за счет схемотехники и оптимального выбора режимов работы ПРЭ).

Очевидно, что для обеспечения равенства ступеней во всем диапазоне работы регулятора с точностью ±М % от­ клонение коэффициента трансформации ЬКт первого транс­

трансформатора отклонение его коэффициента трансфор­ мации, %, не должно превышать значения

(.П5)

Столь высокие требования к точности коэффициентов трансформации коммутируемых трансформаторов старших разрядов не позволяют получить высокую стабильность выходного напряжения с дискретным регулятором. На практике число коммутируемых трансформаторов обычно не превышает четырех, что обеспечивает коэффициент ста­ билизации по напряжению до 16.

Для обеспечения устойчивой работы данного С1ШР

необходимо выполнение условий

где Uпи ^п2— напряжения срабатывания пороговых уст­ ройств П\ и Я2; Р н — номинальное значение выходного

напряжения СППР; Д£/то— максимальное приращение на­ пряжения на первичной обмотке основного трансформатора после шунтирования трансформатора первого разряда, со­ ответствующее состоянию регулятора, при котором зашунтированы все дополнительные трансформаторы; U0— на­

пряжение на первичной обмотке основного трансформато­ ра перед шунтированием трансформатора первого «разряда.

Приращение напряжения Д£/т0= £ /1—£/ю, где Uu Uio —

напряжения на первичной обмотке трансформатора пер­ вого разряда до и после его шунтирования.

На основании эквивалентной схемы трансформатора [34], пренебрегая током намагничивания и потерями в магиитопроводе (что допустимо, так как после включения шунтирующего транзистора остаточные напряжения иа первичных обмотках трансформаторов станцвятся на одиндва порядка меньше своих номинальных значений), мож­ но записать

где l\ — ток первичной обмотки; г\ — сопротивление пер­ вичной обмотки; г'2— приведенное к первичной цепи со­ противление вторичной обмотки; Г2— приведенный ток вторичной обмотки; Ls\ — индуктивность рассеяния пер­ вичной обмотки; L'S2— приведенная индуктивность рассе­

яния вторичной обмотки; £/'2о — приведенное к первичной цепи остаточное напряжение вторичной обмотки; f — рабо­

чая частота трансформатора.