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 przepustowa
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
p
r
z
e
p
u
s
t
o
w
a
część 5
W poprzednim odcinku zadałem pyta-
W
p
o
p
r
z
e
d
n
i
m
o
d
c
i
n
k
u
z
a
d
a
ł
e
m
p
y
t
a
nie, czy współczynnik wypełnienia im-
n
i
e
,
c
z
y
w
s
p
ó
ł
c
z
y
n
n
i
k
w
y
p
e
ł
n
i
e
n
i
a
i
m
pulsów sterujących zależy od prądu, czy
p
u
l
s
ó
w
s
t
e
r
u
j
ą
c
y
c
h
z
a
l
e
ż
y
o
d
p
r
ą
d
u
,
c
z
y
od napięcia? Czy przeprowadzone rozu-
o
d
n
a
p
i
ę
c
i
a
?
C
z
y
p
r
z
e
p
r
o
w
a
d
z
o
n
e
r
o
z
u
mowanie doprowadziło do sprzeczno-
m
o
w
a
n
i
e
d
o
p
r
o
w
a
d
z
i
ł
o
d
o
s
p
r
z
e
c
z
n
o
ści? Wyjaśniam tym, którzy jeszcze nie
ś
c
i
?
W
y
j
a
ś
n
i
a
m
t
y
m
,
k
t
ó
r
z
y
j
e
s
z
c
z
e
n
i
e
wiedzą: żadnej sprzeczności nie ma!
w
i
e
d
z
ą
:
ż
a
d
n
e
j
s
p
r
z
e
c
z
n
o
ś
c
i
n
i
e
m
a
!
Rysunki 6a, b, c (w poprzednim nu-
merze) wskazują, że przy małych prą-
p
r
ą
dach wypełnienie będzie zależeć od prą-
du obciążenia. Sytuacja taka ma miej-
d
u
sce, gdy w części okresu prąd spada do
zera, czyli gdy cewka w części okresu
jest wolna od energii (bezczynna). Moż-
Rys. 7.
R
y
s
.
7
.
na powiedzieć, że układ automatycznej
regulacji (rys. 2) tak dobiera współczyn-
nik wypełnienia, by przenieść na wyj-
ście potrzebną moc (U2*I ).
L
Natomiast przy większym obciąże-
niu, gdy przez cewkę cały czas płynie
prąd (rysunki 6d, e), współczynnik wy-
n
a
p
i
ę
c
i
e
pełnienia ustala jedynie napięcie wyj-
ściowe, a (średni) prąd rośnie lub male-
je w zależności od obciążenia.
Istnieją przetwornice, które nie mają
żadnej automatyki i pracują przy stałym
współczynniku wypełnienia impulsów
sterujących. Nie zapominaj jednak, że
taka praca jest możliwa tylko przy więk-
szych prądach. Właśnie dlatego w nie-
których z
ródłach znajdziesz wzmianki
Rys. 8.
R
y
s
.
8
.
o minimalnym prądzie obciążenia (lub
minimalnej indukcyjności). Nie prze-
strasz się tym! Chodzi o to, by prąd
cewki nie malał do zera - wtedy układ
zachowuje się jak  transformator prądu
stałego . Gdy prąd obciążenia jest
mniejszy, niedociążona przetwornica
przestaje być  transformatorem prądu
stałego i napięcie wyjściowe wzrasta.
W praktyce wystarczy zastosować
układ automatyki wg rysunku 2, zmienia-
jący wypełnienie impulsów od zera do
100% i wtedy nie ma takich ograniczeń
na prąd minimalny i napięcie wyjściowe.
Jeśli to zrozumiałeś, idziemy dalej.
Przypuszczam, że jeszcze masz pew-
ne wątpliwości odnośnie napięć wyjścio-
wych. Trochę Cię niepokoi fakt, że zmia-
na napięcia wyjściowego U2 zmienia
Rys. 9.
R
y
s
.
9
.
też napięcie  ładowania cewki równe
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 41
Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
U1-U2. Nie dziwię Ci się, że o tym my- Z kolei średni prąd rozładowania wynosi się nie uszkodził, także w przetwornicy
ślisz. Intuicyjne przyswojenie sobie wy- I2 = Ip (t /T) przepustowej nie powinniśmy pracować
off
stępujących tu zależności jest rzeczywi- Czyli w fazie rozładowania do obcią- przy prądach większych od prądu nasy-
ście trochę trudniejsze, ale poradzimy so- żenia jest dostarczana moc cenia cewki Ip, a moc maksymalna nie
bie i z tym. P2=U2 * I2 = U2 * Ip (t /T) przekroczy
off
r
y
s
u
n
k
a
c
h
7
,
8
9
Na rysunkach 7, 8 i 9 znajdziesz prze- Moc całkowita P = U2 * Ip
biegi napięcia i prądu przy różnych P = P1+P2 = U2 * Ip [(t +t ) / T] Czy jednak nie zgubiłeś się w po-
on off
P
=
U
2
*
I
p
napięciach wyjściowych. Co istotne, P = U2 * Ip wyższych rozważaniach? Co to za moc?
w każdym przypadku napięcie wejścio- I co, jesteś zdziwiony? Jest to teoretyczna moc maksymal-
we U1 jest takie samo. W sytuacji z ry- Tu również okazuje się, że czym na, jaką można  wydusić z przetworni-
sunku 7 napięcie wyjściowe U2 jest pię- większe napięcie wyjściowe, tym więk- cy przy następujących założeniach:
ciokrotnie mniejsze od wejściowego. sza moc. Ponieważ w przetwornicy - pomijamy wszelkie straty (spadek
W drugim przypadku (rysunek 8) napię- przepustowej napięcie wyjściowe nie napięcia na diodzie D, rezystancji cewki
cie U2 jest równe połowie U1, nato- może być większe od wejściowego, i napięcie nasycenia tranzystora);
miast w sytuacji z rysunku 9 napięcie ostatecznie moc będzie największa, gdy - zakładamy, że średni prąd płynący
U2 to 5/6 napięcia wejściowego U1. Na napięcie wyjściowe będzie (niemal) rów- przez cewkę jest równy Ip (co jest bli-
rysunkach 7a, 8a, 9a pokazałem Ci sytu- ne wejściowemu - moc wyniesie wtedy skie prawdy tylko przy bardzo dużej czę-
ację w układzie z pewną indukcyjnością Pmax = U1 * Ip stotliwości pracy albo przy bardzo dużej
przy jakimś niewielkim prądzie. Na ry- I wszystko zgadza się z intuicją: jeśli indukcyjności - przebieg prądu wygląda
sunkach 7b, 8b i 9b znajdziesz przebiegi przetwornicę przepustową  otworzymy wtedy mniej więcej jak na rysunku 10a).
w układzie z tą samą indukcyjnością, ale na stałe , napięcie wyjściowe będzie W praktyce nie zwiększamy
przy prądzie szczytowym zbliżonym do równe wejściowemu i rzeczywiście nadmiernie indukcyjności i nie pracuje-
prądu nasycenia Ip. I wreszcie na rysun- moc dostarczana do obciążenia będzie my przy bardzo dużych częstotliwo-
kach 7c, 8c i 9c znajdziesz przebiegi równa U1 * Ip. ściach. Wtedy oczywiście moc jest
w układzie z cewką o znacznie większej A może więcej? Co nam szkodzi zwięk- mniejsza. W granicznym przypadku,
indukcyjności - zauważ, że zmiany prą- szyć wtedy prad powyżej Ip? Że rdzeń się jak na rysunku 10b, gdy prąd chwilowo
du są mniejsze, ale nachylenie w czasie nasyci? A co nas to obchodzi - przecież spada do zera, przenoszona moc jest
ładowania i rozładowania nadal jest pro- tranzystor-klucz jest na stałe otwarty! o połowę mniejsza od wcześniej wyli-
porcjonalne do napięć ładowania (U1- Stop! Nie przesadzaj! W praktyce czonej (i dodatkowo pomniejszona
U2) i rozładowania (U2). Twoja przetwornica nigdy nie będzie o straty w elementach przetwornicy).
Przeanalizuj teraz bardzo starannie  na stałe otwarta , bo zechcesz praco- Patrząc na rysunek 10 nie zastanawiaj
rysunki 7....9. Powinny one rozjaśnić Ci wać przy napięciach wyjściowych się, jakiej konkretnie częstotliwości
całkowicie obraz sprawy. mniejszych niż wejściowe. Dlatego nie odpowiada ta sytuacja, lub jaka jest in-
A my zajmiemy się jeszcze jedną ma sensu rozpatrywać sytuacji, gdy dukcyjność (indukcyjności) - to nie ma
kwestią. Czy na podstawie rysunków tranzystor-klucz stale przewodzi. znaczenia (podobnie, jak wartości na-
7...9 potrafiłbyś coś powiedzieć o mocy No tak, ale może nawet gdy pięć). Chodzi tylko o kształt prądu,
przenoszonej (czyli po prostu o mocy U2naszej przetwornicy)? Czy ta moc zależy prąd powyżej Ip? Wcześniej prosiłem, byś masz wątpliwości, że przy tej samej
r
y
jakoś od napięcia wyjściowego? się zastanowił, czym to grozi. Ponieważ wartości Ip średnia wartość prądu z ry-
s
u
n
k
u
1
0
a
W poprzednich listach wykazałem, obciążenie R jest włączone w szereg sunku 10a jest niemal dwukrotnie
L
r
y
s
u
n
k
u
1
0
b
że moc przetwornicy zaporowej silnie z cewką, więc sytuacja jest inna niż prze- większa niż tego z rysunku 10b.
zależy od stosunku napięć wyjściowego twornicy zaporowej i nie można powie- Przypuśćmy teraz, że chcemy zbu-
i wejściowego. Okazało się, że prze- dzieć, że  prąd będzie się marnował . dować przetwornicę zaporową, a wła-
twornicy zaporowej nie warto stosować Jednak przetwornica przestanie być ściwie zasilacz impulsowy o regulowa-
przy małych napięciach wyjściowych. przetwornicą indukcyjną według rysun- nym napięciu wyjściowym. Mając ja-
Podałem Ci wzór na teoretyczną moc ku 1 czy 3b, a stanie się przetwornicą kąś cewkę o prądzie nasycenia Ip oraz
maksymalną przetwornicy zaporowej pojemnościową według rysunku 3a. Ro- indukcyjności L musimy dobrać czę-
(przy bardzo dużej częstotliwości) lę rezystancji ograniczającej prąd łado- stotliwość pracy tak, by w najgorszych
Pmax = U1*Ip * [U2 / (U2+U1)] wania będzie pełnić (niewielka) rezy- warunkach prąd nie przekroczył warto-
A jak to wygląda w przetwornicy stancja uzwoje-
przepustowej? nia cewki,
Odpowiedz
znajdziesz analizując ry- a sprawność
sunki 7c, 8c i 9c. Przy dużej indukcyjno- znacznie spa-
ści (lub dużej częstotliwości pracy) wa- dnie. W skrajnym
hania prądu są minimalne - możemy je przypadku duży
pominąć i założyć, że średni prąd na ry- prąd ładowania
sunkach c jest równy Ip. Skoncentruj ( ogr ani czony
się! Patrząc na rysunku 7c, 8c, 9c bez niewielką rezys-
trudu zauważysz, że w każdym przypad- tancją cewki) mo-
ku średni prąd ładowania wynosi że uszkodzić
I1 = Ip (t /T) tranzystor-klucz.
on
W czasie ładowania cewki, do obcią- Za my k a my
żenia jest już dostarczana moc sprawę: nawet
P1=U2 *I1 = U2 * Ip (t /T) gdyby tranzystor
on
Rys. 10.
R
y
s
.
1
0
.
42 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99
Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
ści Ip. Chyba już zauważyłeś, że prąd f (częstotliwość) i zbadać go w funkcji 4LIp
rośnie tym szybciej, im większe jest U2/U1. Jeśli ktoś chce, niech to zrobi - i wybrać częstotliwość pracy więk-
napięcie ładowania (równe U1-U2) - po przekształceniach trzeba będzie szą niż tak wyliczona.
zobacz rysunki 4 i 7...9. Gdy napięcie zbadać funkcję Jak wykazano wcześniej, przy czę-
wyjściowe U2 jest bardzo małe, napię- y=-x2 + x stotliwości minimalnej moc przetwor-
cie ładowania jest zbliżone do U1 (rys Okaże się, że najgorszy przypadek nicy nie przekroczy
7). Znając Ip, L oraz U1 możesz już występuje przy U2 = 0,5 U1. Poniekąd P = 0,5 U2 * Ip
obliczyć maksymalny czas włączenia potwierdza to rysunek 8b, ale ten rysu- Oczywiście częstotliwość może,
tranzystora (t ) przy bardzo małych nek to żaden dowód. W każdym razie i w miarę możliwości powinna być
on
napięciach wyjściowych. Przekształca- dla tego najgorszego przypadku większa - wtedy zmiany prądu będą
jąc znany Ci dobrze wzór otrzymasz: (U2=0,5U1) minimalna częstotliwość mniejsze, przebiegi będą podobne jak
t = L * Ip / U1 przetwornicy wynosi na rysunkach 7c, 8c, 9c, 10a i moc
onmax
I co to jest za czas? Czas ten doty- U1 przenoszona będzie o kilkadziesiąt
fmin =
czy tylko przypadku, gdy U2 jest bli- 4 LIp procent większa niż przy częstotliwo-
skie zeru. Sytuacja wygląda wtedy Gdyby częstotliwość była mniejsza ści minimalnej (teoretycznie
mniej więcej tak, jak na rysunku 7. (czasy dłuższe), prąd nadmiernie wzro- P=U2*Ip).
Przypuśćmy, że obliczyłbyś czas t . śnie i rdzeń cewki się nasyci. Mam nadzieję, że cały czas nadążasz
on
Niewiele to daje. Gdy czas t jest Gdyby przetwornica miała praco- za mną. Jeśli jednak masz jakiekolwiek
on
krótki, na pewno (bardzo) długi będzie wać przy stałym napięciu wyjściowym kłopoty ze zrozumieniem całości mate-
czas t , bo napięcie U2 jest bardzo U2, innym niż 0,5U1, wtedy minimalna riału, przeanalizuj dokładnie ten i po-
off
małe. Przy większym napięciu wyj- częstotliwość mogłaby być mniejsza. przednie odcinki, a jeśli i to nie pomo-
ściowym U2 (a tym samym mniejszym W praktyce i tak należy pracować że, napisz do mnie (na adres redakcji).
napięciu ładowania U1-U2) czas t z możliwie dużą częstotliwością (ogra- W razie potrzeby wrócimy do tematu.
on
mógłby być znacznie dłuższy, za to niczoną przez straty histerezy rdzenia Tyle na temat przetwornicy przepu-
krótszy będzie czas t . i straty przełączania tranzystora), dla- stowej. W następnym odcinku zapo-
off
Aby znalez
ć najgorszy przypadek tego do wstępnych szacunkowych znam Cię z przetwornicą podwyższającą.
należałoby napisać wzory na t i t , obliczeń należy wykorzystać wzór
on off
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
znalez
ć wzór na T (okres), potem na U1 Piotr Górecki
fmin =
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 43