Listy od Piotra
Przetwornice impulsowe
P
r
z
e
t
w
o
r
n
i
c
e
i
m
p
u
l
s
o
w
e
Przetwornice impulsowe
P
r
z
e
t
w
o
r
n
i
c
e
i
m
p
u
l
s
o
w
e
Podstawowe konfiguracje
- przetwornica podwyższająca
Po długiej przerwie znów powracamy cie wyjściowe. Wy- Rysunki 1 i 3a pokazują, że wystarczy na-
do tematu przetwornic. Czytelnicy gląda na to, że cewka pięcie mniejsze - napięcie z cewki (U ) bę-
L
upominają się o dalsze informacje na dodaje do napięcia dzie dodawane do napięcia U1, tworząc na-
ten temat. wejściowego U1 ja- pięcie wyjściowe U2. Jeśli więc pominiemy
Do tej pory omówiliśmy przetwornicę kieś  swoje napięcie (w sumie niewielki) spadek napięcia na dio-
zaporową i przepustową. W tym od- U . Tym samym na- dzie, możemy powiedzieć, że napięcie na
L
cinku omówimy przetwornicę pod- pięcie wyjściowe U2 cewce wyniesie U =U2-U1.
L
wyższającą. Jeśli do tej pory się nie pracującej przetwor- A jak regulować to napięcie, a tym samym
zgubiłeś, nie będziesz miał żadnych nicy będzie zawsze napięcie wyjściowe? Szczegóły za chwilę,
problemów z przyswojeniem sobie in- większe niż napięcie ale chyba już  czujesz przez skórę , że rów-
formacji z tego listu. W razie potrzeby wejściowe U1 (pomi- nież w tej przetwornicy regulacja napięcia
przypomnij sobie wiadomości o prze- jamy spadek napięcia będzie polegać na zmianie współczynnika
twornicach zamieszczone w EdW 4/99 na diodzie). Stąd na- Rys. 2 wypełnienia impulsów sterujących.
... 8/99. zwa - przetwornica Zwróć jeszcze uwagę na drogę prądów I1
podwyższająca. oraz I2. Przy zamkniętym kluczu S, ze z
ródła
Przetwornica podwyższająca jest rodzajem Rysunek 3b pokazuje przykładowe prze- zasilania B pobierana jest energia - zostaje ona
przetwornicy zaporowej (ang. boost conver- biegi napięcia i prądu. Zwróć uwagę, że w fa- zmagazynowana w indukcyjności, a następnie
ter, step up switching regulator). Uproszczo- zie ładowania cewka podłączona jest do na- przekazana do obciążenia w drugiej fazie cy-
ny schemat jest pokazany na rysunku 1. Nie pięcia U1, a więc szybkość przyrostu prądu klu. To oczywiste! Czy jednak już widzisz, że
muszę już chyba dodawać, że w większości wyznaczona jest właśnie przez to napięcie. energia jest pobierana ze z
ródła B także wtedy,
praktycznych przetwornic występuje obwód A jakie napięcie zaindukuje się w cewce gdy klucz S jest otwarty - prąd I2 płynie prze-
regulacji, zmieniający współczynnik wypeł- w czasie rozładowania? Teoretycznie napię- cież przez baterię zasilającą B! Co to znaczy?
nienia impulsów sterujących w zależności od cie to może być dowolne: małe lub duże. Podobnie jak w przetwornicy przepusto-
napięcia wyjściowego. W praktyce będzie dokładnie takie, by pod- wej, także i tu część energii jest dostarczana
trzymać przepływ prądu w cewce. Podobnie do obciążenia niejako przy okazji. W prze-
jak przy omawianiu poprzednich przetwornic twornicy przepustowej następowało to w fa-
zakładamy, że przetwornica już pracuje i na- zie ładowania cewki (przy zwartym kluczu
pięcie wyjściowe U2 na kondensatorze C2 S), natomiast w przetwornicy podwyższają-
zdążyło się wcześniej ustalić. W cewce zain- cej następuje w fazie rozładowania cewki.
dukuje się więc napięcie... Jak się okaże, pozwoli to  wydusić z prze-
Rys. 1 Przetwornica podwyższająca Wcale nie będzie to napięcie wyjściowe U2 twornicy podwyższającej moc większą, niż
plus spadek napięcia na diodzie D. Dlaczego? z przetwornicy zaporowej z tą samą cewką.
W pierwszej fazie cyklu, po zamknięciu
klucza S, przez klucz i cewkę płynie rosnący Tryby pracy
prąd I1 - w cewce gromadzi się energia. Ilu- Podobnie jak w dwóch poprzednio omówio-
struje to rysunek 2. Sytuacja wygląda dokła- Rys. 3 nych układach przetwornic, także i tu możemy
dnie tak, jak w przetwornicy zaporowej, którą odróżnić tryb pracy, w którym prąd w cewce
a)
poznałeś na początku. Troszkę inaczej jest tyl- w części okresu jest równy zeru. Sytuacja taka
ko w drugiej fazie cyklu, gdy energia jest prze- ma miejsce przy małych prądach obciążenia.
kazywana do kondensatora C2 i obciążenia. Rysunki 4a i 4b pokazują przykładowe przebie-
Po otwarciu klucza prąd nadal  chce płynąć gi w tym trybie. Znów szybkość zmian prądu
przez cewkę w tym samym kierunku - w cew- jest ściśle związana z napięciami występujący-
ce zaindukuje się więc takie napięcie, aby prąd mi na cewce: wejściowym U1 w fazie łado-
mógł nadal płynąć. W odróżnieniu od pozna- wania i napięciem (U2-U1) w fazie rozłado-
nej wcześniej przetwornicy zaporowej, prąd wania. W tym trybie współczynnik wypełnie-
I2 zamknie się w obwodzie: B, L, D, R . Ilu- b) nia impulsów sterujących zależy od chwilo-
L
struje to rysunek 3a. Jasne i oczywiste. wego zapotrzebowania na moc wyjściową.
Gdyby przetwornica nie pracowała, Analogicznie przy większych prądach ob-
a klucz S byłby na stałe otwarty, prąd po pro- ciążenia, prąd cewki cały czas jest większy
stu płynąłby do obciążenia przez diodę D. Je- od zera, i wtedy nasz układ staje się  trans-
śli przetwornica pracuje, cewka na przemian formatorem prądu stałego . Przykładowe
gromadzi i oddaje energię, zwiększając napię- przebiegi znajdziesz na rysunkach 4c i 4d.
Elektronika dla Wszystkich
23
Listy od Piotra
Na rysunku 4e pokazałem sytuację, gdy krótszy od t . Tylko wtedy napięcie U bę- dze rachunkowej. Moc wyjściowa to iloczyn
on L
czas t jest zbyt długi - prąd wzrasta powy- dzie dwa razy większe od napięcia U1. napięcia U2 i średniego prądu rozładowania
on
żej prądu nasycenia Ip. Oczywiście jest to sy- Teraz już chyba widzisz, że w przypadku I2
tuacja niedopuszczalna, bo gwałtownie przetwornicy podwyższającej prawdziwa jest P=U2 * I2śr
wzrosną straty (w praktyce zapewne uszko- zależność Wartość szczytowa prądu I2 może być co
dzi się też tranzystor-klucz). t / t = U / U1 najwyżej równa prądowi nasycenia Ip, więc
on off L
Może się zastanawiasz, dlaczego nagle Nam bardziej przydatna byłaby zależność średni prąd rozładowania w sytuacji z rysun-
mówimy o różnicy napięć U2-U1, jakby na- napięcia wyjściowego U2 od czasów t i t . ków 5b, 6b, 7b wyniesie prawie
on off
pięcie U2 było już z góry ustalone. Możemy Ponieważ U = U2-U1, więc
L
tak robić - umówiliśmy się, że rozpatrujemy t / t = (U2-U1) / U1
on off
działanie przetwornicy w trakcie jej normal- stąd
nej pracy, przy jakimś prądzie obciążenia, t U1=t U2-t U1
on off off
gdy przebiegi napięć i prądów są ustabilizo- co odpowiada
wane. Nie zapominaj o układzie automatyki t U2=t U1+t U1=(t +t )U1 Rys. 5
off on off on off
(którego tym razem nie rysowałem). Ten a ponieważ t +t =T, ostatecznie
on off
układ automatyki dobierze współczynnik wy- U2 = (T/t )U1 Rys. 6
off
pełnienia (a tym samym napięcie U i szybko- i jest to wzór na  przekładnię przetwor-
L
ści zmian prądów), by napięcie wyjściowe U2 nicy podwyższającej. Zależność tę można też
było dokładnie takie jak chcemy. zapisać w postaci
Jeśli jednak masz jakiekolwiek wątpliwo- U2/U1 = T/t
off
ści, przyjrzymy się temu bliżej. Przypominam, że podana właśnie zależność
Jaki ma być ten współczynnik wypełnienia? jest słuszna tylko wtedy, gdy prąd w cewce nie
Przypuśćmy, że chcemy dodać do napięcia maleje do zera, czyli indukcyjność nigdy nie
U1 napięcie dwukrotnie większe, czyli napię- jest wolna od energii (zobacz rys. 4c, d). Napię-
cie wyjściowe U2 ma być równe 3*U1(pomi- cie wyjściowe wyznaczone jest przez czasy t
on
jamy spadek napięcia na diodzie). Aby napię- i t . Gdy rezystancja R się zmniejsza, wzrasta
off L
cie U było dwa razy większe od U1, szyb- średni prąd, jak pokazują rysunki 4c, d.
L
kość zmian prądu w fazie rozładowania musi Przy znacznie mniejszych prądach obcią-
być dwukrotnie większa niż w fazie ładowa- żenia, gdy chwilowa wartość prądu cewki
nia. Właśnie taką sytuację pokazuje rysunek 4. maleje do zera (rys. 4a, b), powyższa zależ-
Pamiętaj, że mówimy o ustalonych warun- ność nie jest prawdziwa - przetwornica nie
kach pracy - to znaczy, że w drugiej fazie każ- jest  transformatorem prądu stałego . Ale na-
dego cyklu cewka oddaje do obciążenia do- pięcie wyjściowe nadal może być utrzymane
kładnie tyle energii, ile pobrała w pierwszej na założonym poziomie - układ automatyki
fazie. Inaczej mówiąc, o ile prąd wzrośnie tak skróci czas ładowania t , by energia
on
w pierwszej fazie, o tyle musi zmaleć w dru- przekazywana w każdym cyklu wystarczyła
giej. Jeśli przyrosty prądu mają być jednako- do utrzymania potrzebnego napięcia U2. Je-
we, to w sytuacji z rysunków 4c i 4d wartości śli w takiej sytuacji zmniejszy się trochę R ,
L
napięć będą zależne od czasów t i t we- układ automatyki zwiększy nieco współczyn-
on off
dług znanej zależności nik wypełnienia i zwiększy średni prąd I2. Rys. 7
U= LI /"t Przedostatni wzór U2 = (T/t )U1
off
Nie ulega wątpliwości, że w omawianym wskazuje, że czym krótszy czas t , tym I2śr = (t /T) Ip
off off
przykładzie czas t musi być dwukrotnie większe napięcie wyjściowe. Zgadza się to Z kolei
off
z intuicją i potwierdzają to rysunki 5...7. Ilu- U2 = (T/t )U1
off
Rys. 4 strują one trzy przypadki, gdy napięcie wyj- Co daje nieco zaskakujący wynik
ściowe jest: P= (T/t )U1 * (t /T)Ip = U1*Ip
off off
- o 1/5 (20%) większe od U1 Wynik ten jest słuszny dla przypadków,
- dwukrotnie większe od U1 gdy wartość prądu jest cały czas zbliżona do
- pięciokrotnie większe od U1. Ip (duża indukcyjność L lub duża częstotli-
Rysunki 5a, 6a i 7a pokazu- wość). Dla częstotliwości fmin (rysunki 5a,
ją przebiegi przy niewielkiej 6a, 7a) moc ta będzie o połowę mniejsza.
indukcyjności (lub niewielkiej W każdym razie wynik ten nie powinien
częstotliwości). Rysunki 5b, dziwić. Wystarczy pomyśleć: w przetworni-
6b i 7b pokazują sytuację przy cy idealnej, bez strat (taką zresztą cały czas
dużej pojemności (lub dużej rozpatrujemy) moc wyjściowa musi być rów-
częstotliwości) - zmiany prądu na mocy wejściowej. A jaka moc jest pobie-
są wtedy niewielkie. rana z baterii U1?
Rysunek 1 oraz 7b wskazują, że prąd jest
Moc i napięcie pobierany z baterii zarówno w czasie łado-
Rysunki 5b...7b pozwalają tak- wania, jak i rozładowania, a więc jego war-
że określić maksymalną moc tość średnia jest tylko odrobinę mniejsza od
przetwornicy podwyższającej Ip. Jeśli z baterii o napięciu U1 cały czas jest
z cewką i prądzie nasycenia Ip pobierany prąd Ip, to maksymalna moc po-
przy wielkiej częstotliwości bierana wynosi w przetwornicy
pracy. Można to zrobić na dro- podwyższającej P=U1*Ip
Elektronika dla Wszystkich
24
Listy od Piotra
Wzór ten jest odmienny, niż w przypadku ze zwiększaniem częstotliwości - pamiętaj pojemność większa, tym mniejsze tętnienia.
poprzednio omówionych przetwornic, po- o stratach przełączania tranzystorów i stra- Trzeba jednak pamiętać, że przetwornica pra-
nieważ prąd ładujący I1 jest pobierany ze tach histerezy. cuje przy częstotliwościach co najmniej
z
ródła tylko w czasie t . Więc zarówno To wszystko! Popatrz, jakie to okazało się 20kHz (często 100kHz i więcej), a przy takich
on
w przetwornicy łatwe, pod warunkiem, że masz cewkę i znasz częstotliwościach elektrolity mają mniejszą
odwracającej P=U1*Ip (t /T) jej indukcyjność L oraz prąd nasycenia Ip. pojemność. Tak - pojemność jest mniejsza od
on
a także Ale Ty pewnie mierzysz o oczko wyżej nominalnej! To nie wszystko - ponieważ pły-
przepustowej P =U1*Ip (t /T) i chciałbyś zaprojektować układ  od zera , nące prądy mają charakter impulsowy, oprócz
on
Zwróć jeszcze uwagę na zależność napię- w tym także obliczyć i wykonać cewkę. Obli- pojemności trzeba też wziąć pod uwagę we-
cia wyjściowego od współczynnika wypeł- czyć i wykonać cewkę to znaczy, zakładając wnętrzną rezystancję szeregową kondensato-
nienia (czyli od czasów t i t ) dla poszcze- indukcyjność L, prąd Ip, dobrać rdzeń, z od- ra wyjściowego C2 (parametr oznaczany
on off
gólnych przetwornic: powiedniego materiału, o właściwej wielko- w katalogach ESR). Rezystancja ta powinna
podwyższajacej U2=(T/t )U1 ści oraz obliczyć liczbę zwojów i grubość być jak najmniejsza. Przystawka - miernik re-
off
następnie drutu nawojowego. Moje listy powinny Cię zystancji kondensatorów przedstawiony był
odwracającej U2=(t /t )U1 przekonać, że nie jest to wcale łatwe zadanie. w EdW 3/2001. Ściślej biorąc, należałoby
on off
oraz Dlatego na razie nie zachęcam Cię do takich także uwzględnić rezystancję ścieżek i prze-
przepustowej U2=(t /T)U1 obliczeń. Pozostań przy gotowych cewkach. wodów, zwłaszcza w obwodach, gdzie wystę-
on
Dokładnie przeanalizuj sześć powyższych Owszem, możesz eksperymentować - możesz pują impulsy prądu, ale to już wyższa szkoła
wzorów. Nie masz chyba wątpliwości, że gdy nawijać różne cewki i sprawdzać je prostym jazdy. W dotychczasowych rozważaniach po-
potrzebne Ci napięcie U2 jest mniejsze niż przyrządem, który był opisany w EdW 9/99. mijaliśmy spadek napięcia na diodzie D, wy-
napięcie U1, którym dysponujesz, wtedy po- Nie zapomnij jednak, że oprócz indukcyj- stępujący w każdej przetwornicy. Przy nie-
winieneś zastosować przetwornicę przepusto- ności L, prądu nasycenia Ip każda cewka ma wielkich napięciach na cewce, rzędu kilku
wą, bowiem w tym zakresie napięć będzie jakąś rezystancję (drutu) i że występują woltów, te 0,6...0,8V na diodzie to sporo.
ona mieć większą moc niż przetwornica od- w niej straty (związane między innymi z wła- Sprawność zmniejszy się o kilka, a nawet
wracająca z tą samą cewką. Jeśli nie wie- ściwościami materiału rdzenia). Będzie to o kilkanaście procent. Dlatego w przetworni-
rzysz, dokonaj kilku przykładowych obliczeń. powodować nagrzewanie się cewki, a jak Ci cach pracujących przy niskich napięciach sto-
Gdy natomiast potrzebne Ci napięcie U2 już sygnalizowałem, temperatura rdzenia suje się z reguły diody Schottky ego, mające
ma być wyższe od napięcia U1, którym dyspo- w jego najgorętszym punkcie nie powinna napięcie przewodzenia o połowę mniejsze.
nujesz, wykorzystasz przetwornicę podwyż- przekraczać +100oC. Na pewno zdążyłeś już zauważyć, że tran-
szającą, która w tym zakresie okaże się lepsza zystor-klucz pracujący w przetwornicy od-
od odwracającej. Dodatkowe wyjaśnienia wracającej lub podwyższającej o dużym na-
Przetwornicę odwracającą wykorzystasz Przy analizie wszystkich trzech rodzajów pięciu wyjściowym musi wytrzymać napię-
tylko wtedy, gdy zechcesz zmieniać napięcie przetwornic zakładaliśmy, że  ze względu na cie pojawiające się na nim w fazie rozłado-
U2 w szerokich granicach. dużą pojemność kondensatora wyjściowego wania cewki.
C2 napięcie wyjściowe U2 nie zmienia się Przy w pełni profesjonalnym projektowa-
Projektowanie w czasie pracy . Czy to prawda? niu przetwornicy należałoby także wziąć pod
W praktyce, mając jakąś cewkę o indukcyj- I tak, i nie! uwagę szereg dodatkowych czynników, jak
ności L i prądzie nasycenia Ip oraz wiedząc, Prawdą jest, że przy dużej częstotliwości charakterystyki przełączania tranzystorów,
jakie będzie maksymalne napięcie wejściowe pracy i dużej pojemności kondensatora wła- generowanie zakłóceń i inne, jednak ich
U1, obliczysz maksymalny czas włączenia dowanie kolejnej, w sumie niewielkiej, porcji szczegółowe omówienie zdecydowanie wy-
t , nie powodujący nasycenia rdzenia cewki: energii z cewki, bardzo niewiele zmieni na- kracza poza ramy niniejszego cyklu.
on
t = L*Ip / U1max pięcie na kondensatorze - o kilka czy kilka- I tyle na razie o podstawowych przetwor-
onmax
Przy mniejszym napięciu U1 czas ten naście miliwoltów, czyli zmiana napięcia bę- nicach. W najblizszej przyszłości zapoznam
mógłby być dłuższy, ale Ty musisz uwzglę- dzie rzędu 0,1%. Potem prąd obciążenia pły- Cię z przetwornicami synchronicznymi.
dnić najgorszy przypadek. nący przez rezystor R rozładuje kondensator
L
Wiedząc, jakie ma być napięcie wyjścio- o te drobne miliwolty, potem napięcie znów Piotr Górecki
we U2, możesz z łatwością obliczyć wzrośnie, itd... Ta-
U =U2-U1, a potem czas t z zależności kie zmiany napię- R E K L A M A . R E K L A M A . R E K L A M A
L off
t / t = U / U1 cia o 0,1% może-
on off L
znając t i t można obliczyć mini- my spokojnie po-
onmax off
malną częstotliwość fmin. minąć przy wstęp-
W praktyce wystarczy policzyć t . nej analizie. Stąd
onmax
W najbardziej niekorzystnym przypadku, założenie, że na-
gdy napięcie wyjściowe na być bardzo duże, pięcie na konden-
czas T będzie tylko trochę większy niż t satorze wyjścio-
onmax
(porównaj rysunek 7). Możesz więc od razu wym jest stałe.
obliczać najmniejszą częstotliwość pracy Niemniej jed-
f=1/t nak w wielu przy-
onmax
Potem w praktycznym układzie i tak po- padkach interesuje
winieneś pracować z jeszcze większą często- nas, jakie jest to na-
tliwością, żeby przy największych prądach pięcie tętnień.
przebiegi wyglądały jak na rysunkach Oczywiście zależy
5b...7b, a nie jak na rysunkach 5a...7a.  Wy- ono od pojemności
ciśniesz wtedy z danej przetwornicy więk- kondensatora wyj-
szą moc. Oczywiście nie możesz przesadzić ściowego - czym
Elektronika dla Wszystkich
25