Listy o

od P

Piotra

Fundamenty Elektroniki

Przetwornice impulsowe

Podstawowe k

konfiguracje − p

przetwornica p

przepustowa

część 5

W poprzednim o

odcinku zzadałem p

pyta−

nie, czy współczynnik wypełnienia im−

pulsów s

sterujących zzależy o

od p

prądu, c

czy

od n

napięcia? C

Czy p

przeprowadzone rrozu−

mowanie doprowadziło do sprzeczno−

ści? Wyjaśniam tym, którzy jeszcze nie

wiedzą: żżadnej s

sprzeczności n

nie m

ma!

Rysunki 6a, b, c (w poprzednim nu−

merze) wskazują, że przy małych prą−

dach wypełnienie będzie zależeć od prą−

du obciążenia. Sytuacja taka ma miej−

sce, gdy w części okresu prąd spada do

zera, czyli gdy cewka w części okresu

jest wolna od energii (bezczynna). Moż−

Rys. 7

7.

na powiedzieć, że układ automatycznej

regulacji (rys. 2) tak dobiera współczyn−

nik wypełnienia, by przenieść na wyj−

ście potrzebną moc (U2*IL).

Natomiast przy większym obciąże−

niu, gdy przez cewkę cały czas płynie

prąd (rysunki 6d, e), współczynnik wy−

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 źródłach znajdziesz wzmianki

Rys. 8

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

9.

też napięcie “ładowania” cewki równe

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99

41

Listy o

od P

Piotra

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 (toff/T)

przepustowej nie powinniśmy pracować

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 (toff/T)

przekroczy

Na rysunkach 7

7, 8

8 i 9 znajdziesz prze−

Moc całkowita

P = U2 * Ip

biegi napięcia i prądu przy różnych

P = P1+P2 = U2 * Ip [(ton+toff) / T]

Czy jednak nie zgubiłeś się w po−

napięciach wyjściowych. Co istotne,

P =

= U

U2 *

* IIp

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

U2<U1uda się coś “zarobić”, zwiększając

a ściślej o jego wartość średnią − nie

naszej przetwornicy)? Czy ta moc zależy

prąd powyżej Ip? Wcześniej prosiłem, byś

masz wątpliwości, że przy tej samej

jakoś od napięcia wyjściowego?

się zastanowił, czym to grozi. Ponieważ

wartości Ip średnia wartość prądu z ry−

W poprzednich listach wykazałem,

obciążenie RL jest włączone w szereg

sunku 10a jest niemal dwukrotnie

że moc przetwornicy zaporowej silnie

z cewką, więc sytuacja jest inna niż prze−

większa niż tego z rysunku 1

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,

Odpowiedź 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

( o g r a n i c z o n y

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 (ton/T)

tranzystor−klucz.

W czasie ładowania cewki, do obcią−

Z a m y k a m y

żenia jest już dostarczana moc

sprawę:

nawet

P1=U2 *I1 = U2 * Ip (ton/T)

gdyby tranzystor

Rys. 1

10.

42

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99

Listy o

od P

Piotra

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 (ton) przy bardzo małych

nek to żaden dowód. W każdym razie

i w miarę możliwości powinna być

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

tonmax = L * Ip / U1

przetwornicy wynosi

na rysunkach 7c, 8c, 9c, 10a i moc

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 ton.

śnie i rdzeń cewki się nasyci.

Mam nadzieję, że cały czas nadążasz

Niewiele to daje. Gdy czas ton jest

Gdyby przetwornica miała praco−

za mną. Jeśli jednak masz jakiekolwiek

krótki, na pewno (bardzo) długi będzie

wać przy stałym napięciu wyjściowym

kłopoty ze zrozumieniem całości mate−

czas toff, bo napięcie U2 jest bardzo

U2, innym niż 0,5U1, wtedy minimalna

riału, przeanalizuj dokładnie ten i po−

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 ton

z możliwie dużą częstotliwością (ogra−

W razie potrzeby wrócimy do tematu.

mógłby być znacznie dłuższy, za to

niczoną przez straty histerezy rdzenia

Tyle na temat przetwornicy przepu−

krótszy będzie czas toff.

i straty przełączania tranzystora), dla−

stowej. W następnym odcinku zapo−

Aby znaleźć najgorszy przypadek

tego do wstępnych szacunkowych

znam Cię z przetwornicą podwyższającą.

należałoby napisać wzory na ton i toff,

obliczeń należy wykorzystać wzór

znaleźć wzór na T (okres), potem na

U1

Piotr G

Górecki

fmin =

ciąg dalszy ze strony 40

łaniem tranzystora i potencjometru. Już

ra, mówimy o pracy w klasie A (np. ry−

tranzystorów, więc oba tranzystory są

rysunki d, e sugerują, iż zastępuje on kil−

sunek 16a). Gdy w spoczynku tranzy−

na granicy przewodzenia (płynie przez

ka diod. W samej rzeczy − potencjometr

story są na progu przewodzenia,

nie jakiś maleńki prąd spoczynkowy. Li−

umożliwia płynną regulację “liczby

a prąd pojawia się dopiero po pojawie−

niowość takiego symetrycznego wtórni−

diod”, a tym samym płynną regulację

niu się sygnału, mamy do czynienia

ka jest znacznie lepsza, niż poprzednie−

prądu spoczynkowego. A najważniej−

z klasą B (np. rys. 16c). Gdy w spo−

go układu, jednak też nie jest rewelacyj−

sze, że taka “zwielokrotniona dioda”

czynku prąd nie płynie i nawet przy

na. Ponadto trudno kontrolować drobne

ma charakterystyki termiczne podobne

małych sygnałach tranzystory są zatka−

różnice i (temperaturowe) zmiany napięć

jak zestaw diod. Ten dodatkowy tranzy−

ne, mamy do czynienia z klasą C (np.

diod i napięć UBE tranzystorów, które bę−

stor montuje się blisko tranzystorów

rys. 16b). Klasa A oznacza małe znie−

dą powodować znaczne zmiany prądu

wyjściowych (na radiatorze) i wtedy

kształcenia, ale duże straty mocy.

płynącego przez tranzystory (zwłaszcza

przy zmianach temperatury tranzysto−

Oszczędne klasy B i C wiążą się nie−

przy różnych temperaturach diod i tran−

rów prąd spoczynkowy prawie się nie

stety z dużymi zniekształceniami. Dla−

zystorów). Dlatego w praktyce bywa

zmienia. W stopniach większej mocy

tego w praktyce wyznacza się pracę

czasem stosowany sposób z rysunku d,

spotyka się darlingtony, zwykłe i kom−

stopnia w głębszej lub płytszej pośre−

gdzie dodatkowe rezystory stabilizują

plementarne − zobacz rysunek g, a tak−

dniej klasie AB, stosując układy z ry−

punkt pracy tranzystorów i wyznaczają

że rysunek h, gdzie oba wyjściowe tran−

sunków 16d...i ustalając kompromiso−

prąd spoczynkowy. Oczywiście suma

zystory (mocy) są typu NPN. Tranzystor

wo prąd spoczynkowy. Czym większy

spadków napięcia na tych niewielkich

sterujący może być umieszczony

ten prąd, tym mniejsze zniekształce−

rezystorach jest równa napięciu przewo−

“u góry”, jak na rysunku g, albo “na do−

nia. Oczywiście, są to tylko ogólne za−

dzenia dwóch dodatkowych diod. Zmie−

le”, jak na rysunkach e, f, h. Zamiast re−

sady i w rzeczywistości ustalając war−

niając wartości RE1 i RE2 można ustalić

zystora dość często stosowane bywają

tość prądu spoczynkowego należy

potrzebny w danym zastosowaniu prąd

źródła prądowe, jak na rysunku h.

uwzględnić szereg innych czynników.

spoczynkowy.

W praktyce zwykle dodaje się jeszcze

Takie rozważania wykraczają jednak

W praktycznych układach taki stopień

obwody ograniczania prądu, jak na ry−

poza ramy niniejszego cyklu.

wyjściowy jest sterowany “od dołu”

sunku i. Wtedy nawet przy zwarciu wyj−

W następnym odcinku będą infor−

przez tranzystor NPN. Wtedy zamiast

ścia, prąd maksymalny zostanie ograni−

macje o wzmacniaczu różnicowym

czterech diod, wystarczą trzy wg rysun−

czony do wartości około 0,6V/RE.

oraz...

ku e. A jeszcze częściej do ustalenia

Przy okazji drobna dygresja. Jeśli

duża niespodzianka.

punktu pracy tranzystorów wyjścio−

w spoczynku przez tranzystory płynie

wych, zamiast diod, wykorzystuje się

duży prąd, a w czasie pracy prąd żad−

Piotr G

Górecki

układ z rysunku f. Zastanów się nad dzia−

nego z tranzystorów nie spada do ze−

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99

43