Listy o

od P

Piotra

Fundamenty Elektroniki

Przetwornice impulsowe

Podstawowe k

konfiguracje − p

przetwornica zzaporowa

część 2

W poprzednim odcinku zaczęliśmy

musi być większa. Częstotliwość jest sta−

omawiać pracę przetwornicy odwracają−

ła, więc zwiększyć się musi porcja energii

cej. Podane tam informacje nie wyczer−

przekazywana na wyjście w każdym cy−

pały zagadnienia. Najważniejsze jeszcze

klu. Czy to możliwe?

przed T

Tobą.

Jeśli przy stałej częstotliwości zwięk−

szymy nieco czas włączenia klucza, to co

Do tej pory analizowaliśmy sytuację,

prawda zwiększymy ilość energii zgroma−

gdy obciążenie przetwornicy było niewiel−

dzonej w rdzeniu, ale jednocześnie

kie. Okazało się, że przy dużych rezystan−

skrócimy czas rozładowania cewki. więc

cjach obciążenia, prąd w cewce płynął tyl−

cewka nie zdąży się rozładować.

ko przez część cyklu. W pozostałej części

I co? Trudne, prawda?

cyklu prąd przez cewkę nie płynął, czyli

Zastanówmy się jednak, jak zachowa

cewka była wolna od energii. Rozstaliśmy

się układ, gdy blok regulacyjny nieco

się pytaniem, co się stanie, gdy w sytua−

zwiększy współczynnik wypełnienia im−

Rys. 1

14

cji pokazanej na rysunku 13 jeszcze bar−

pulsów. Popatrz na rysunek 1

14. Napięcie

dziej zmniejszymy rezystancję obciążenia RL.

wejściowe U1 nadal wynosi 10V, a więc

sunki 14 i 15 pokazują hipotetyczną sytu−

szybkość narastania prądu będzie

ację, gdy napięcie wyjściowe (i szybkość

taka sama jak na rysunku 13, bo

opadania prądu) są podobne jak na wcze−

przecież jest wyznaczona przez na−

śniejszych rysunkach 6−13, a tymczasem

pięcie wejściowe

wygląda na to, że przetwornica „nie wy−

[U=L * (∆I/∆t)].

rabia się”, wiec ilość przekazywanej

Na chwilę załóżmy, że napięcie

energii (moc) jest za mała i chyba napię−

wyjściowe U2 nie zmieniło się,

cie wyjściowe powinno się zmniejszyć.

więc szybkość opadania nadal jest

Słusznie!

taka jak na rysunku 13. Ponieważ

Ale to niczego nie zmienia. Jeśli napię−

czas zwarcia klucza i czas ładowa−

cie wyjściowe jest mniejsze, to...

nia cewki został zwiększony ko−

no właśnie – zmniejsza się szybkość

sztem czasu rozładowania, więc

opadania prądu, na koniec cyklu prąd jest

Rys. 6

6a.

cewka w czasie jednego cyklu

jeszcze większy i w rdzeniu pozostaje je−

zgromadzi więcej energii, ale nie−

szcze więcej energii. Mam nadzieję, że

stety nie zdąży tej energii oddać.

nadążasz...

We wszystkich przypadkach z ry−

Teraz kluczowe pytanie: czy to dobrze,

sunków 7−13 prąd na końcu cyklu

czy źle, że prąd w cewce rośnie jak poka−

pracy był równy zeru. Teraz wyglą−

zują rysunki 14 i 15?

da na to, że do końca cyklu pracy

cewka nie zdąży

się uwolnić od

energii i na koniec

cyklu będzie przez

nią płynął jakiś

prąd. W następ−

nym cyklu prąd

Rys. 1

13

znów zacznie ro−

snąć i znów cewka

Odpowiedź na to pytanie jest bardzo

zgromadzi jeszcze więcej

ważna. Jeśli to dobrze zrozumiesz, świat

energii, i znów do końca

przetwornic stanie przed Tobą otworem.

cyklu nie zdąży się jej po−

Ponieważ napięcie wyjściowe U2 ma

zbyć. Sytuacja będzie wy−

zostać takie same, a rezystancja obciąże−

glądać mniej więcej tak

nia RL zmniejszy się, więc wyjściowy

jak na rysunku 1

15.

prąd obciążenia IL musi wzrosnąć i na

Może obawiasz się tu

pewno moc przekazywana do obciążenia

jakiegoś podstępu, bo ry−

Rys. 1

15

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

63

Listy o

od P

Piotra

Rys. 1

18

znaczone są przykładowe przebiegi. Prąd

i tym samym prąd I1 nie jest równy I2.

ację teoretyczną, nie zastanawiając się

płynący przez cewkę możemy podzielić

Zgadza się?

nad rezystancją uzwojenia cewki (pomija−

na dwa prądy: ładowania (I1) i rozładowa−

Oczywiście cały czas zakładamy, że

my ją) i sposobem realizacji klucza

nia (I2). Mają one charakter impulsowy

przetwornica pracuje bez żadnych strat

(w praktyce jest to jakiś tranzystor). Gdy−

i oczywiście interesuje nas nie szczytowa

i P1 = P2.

by cewka i klucz były idealne, a na diodzie

wartość prądu, tylko wartość średnia. Co

nie występowałby spadek napięcia, wte−

oczywiste, wypadkowa wartość tego im−

Transformator

dy przetwornica miałaby sprawność

pulsowego prądu ładowania (I1) musi być

prądu stałego?

100% − cała energia (moc) pobrana ze

równa średniej wartości prądu pobierane−

źródła zasilania byłaby przekazana do ob−

go z baterii (IB). Analogicznie wypadkowa

Uważaj teraz! Rysunki 18 i 19 udowa−

ciążenia. Praktyczne przetwornice nie

wartość impulsowego prądu rozładowa−

dniają, że omawiana przetwornica jest

mają oczywiście sprawności 100%, ale

nia I2 musi być równa prądowi stałemu

swego rodzaju „transformatorem prądu

często sprawność przekracza 90%, co

płynącego przez rezystor RL.

stałego”. W (idealnym) transformatorze

jest świetnym wynikiem. Na razie kwe−

Ktoś mógłby zaprotestować, że prze−

prądu zmiennego także równe są moce

stię sprawności pomijamy, bo chcemy

cież przez cewkę płynie „prąd wspólny”,

pierwotna i wtórna, a stosunek napięć

zgłębić jedynie podstawowe zależności.

czyli prąd wejściowy I1 musi być równy

i prądów zależy od przekładni transforma−

Rozważamy hipotetyczną przetwornicę

prądowi wyjściowemu I2. Takie wyobra−

tora. Dla idealnego transformatora obo−

z idealnymi elementami. Bez żadnych

żenie jest błędne i prowadzi do fałszy−

wiązują zależności

strat. W takiej przetwornicy moc pobrana

wych wniosków.

P1 = U1* I1= U2*I2 = P2

ze źródła zostaje w całości dostarczona

Choć rzeczywiście wartości prądu na

co można zapisać:

do obciążenia. Moc pobierana ze źródła

początku i końcu ładowania oraz rozłado−

U1/U2 = I2/I1

to P1 = U1*IB gdzie IB to średni prąd po−

wania są takie same (ciągłość prądu

O dziwo, podobnie jest w (idealnej)

bierany z baterii. Moc dostarczona do ob−

w cewce), nas interesuje uśredniona

przetwornicy! W klasycznym transforma−

ciążenia to P2 = U2*IL. W przetwornicy

wartość prądu w dłuższym okresie czasu.

torze przekładnia wyznaczona jest sto−

idealnej P1 = U1*IB = U2*IL = P2.

Pamiętaj, że prąd wejściowy zamyka się

sunkiem liczby zwojów uzwojenia pier−

Jeśli rezystancja RL się zmniejsza, to

w innym obwodzie niż prąd wyjściowy.

wotnego i wtórnego. Czy już widzisz, tak

do obciążenia trzeba dostarczyć większą

Pokazuje to rysunek 18. Jeśli masz wąt−

to jest z „przekładnią” przetwornicy za−

moc, czyli przy ustalonym napięciu wyj−

pliwości, dodatkowo narysujemy oddziel−

porowej?

ściowym U2 musi rosnąć prąd wyjściowy

nie prądy ładowania i rozładowania (rysu−

Nie?

IL. Oczywiście jednocześnie będzie rósł

nek 19), to już nie możesz mieć wątpli−

Rysunek 17 wskazuje, że przy małych

prąd wejściowy IB (przy stałym napięciu

wości, że prąd IB jest równy średniej war−

prądach obciążenia (przebiegi a, b) napię−

wejściowym U1). Rysunek 18 pokazuje

tości prądu ładującego I1, a prąd obciąże−

cie wyjściowe regulowane jest współ−

trasy prądów i miejsca występowania na−

nia IL jest równy średniej wartości impul−

czynnikiem wypełnienia impulsów klu−

pięć (nadal pomijamy spadek napięcia na

sowego prądu rozładowania I2. Tym sa−

czujących. Jednak przy większych prą−

diodzie D1). Fioletowym kolorem zazna−

mym prądy IB oraz IL nie muszą być rów−

dach o

obciążenia ((przebiegi c

c, d

d, e

e) w

współ−

czyłem ci prąd wejściowy, czerwonym

ne. Zauważ, że równe są tu tylko moce

czynnik wypełnienia jest stały! Prąd ro−

prąd wyjściowy. Na górze rysunku 18 za−

(P1=P2). Zazwyczaj U1 nie równa się U2

śnie, amplituda jego wahań nie rośnie,

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99

65

Listy o

od P

Piotra

Listy o

od P

Piotra

Rys. 1

19

napięcia są takie same, a współczynnik

rozważ różne przypadki i sprawdź, czy

(rys 17a, b), jak i w trybie, w którym prąd

wypełnienia nie zmienia się.

rzeczywiście wszystko „trzyma się ku−

i energia nie zmniejszaja się do zera (rys.

Nadążasz? Nie?

py”. Przy okazji znajdziesz wyjaśnienie,

17c, d, e)

To jeszcze raz wróć do rysunku 17.

dlaczego w licznych źródłach omawiają−

Z pewnych względów konstruktorzy

Zwróć uwagę na bardzo ważną zależ−

cych temat przetwornic mówi się o mini−

preferują przetwornice, w których w nor−

ność. Nieprzypadkowo w tym odcinku

malnym prądzie obciążenia (bądź o mini−

malnych warunkach pracy prąd cewki nie

i w poprzednim do znudzenia powtarza−

malnej indukcyjności). Teraz już rozu−

maleje do zera. Wtedy bowiem niektóre

łem Ci, że szybkości narastania i opada−

miesz, że w zasadzie dotyczy to prostych

właściwości przetwornicy są lepsze niż

nia prądu wyznaczone są przez napięcia

przetwornic „o stałej przekładni”, nie wy−

w sytuacji, gdy prąd i energia cewki ma−

wejściowe i wyjściowe zgodnie ze wzo−

posażonych w układ regulacji współczyn−

leją do zera. W następnym odcinku przyj−

rem U=L * (∆I/∆t), który w pewnych sytu−

nika wypełnienia wg rysunku 6b. Piszę

rzymy się tej sprawie z jeszcze innej stro−

acjach możemy uprościć do postaci

„w zasadzie”, bo sprawa jest bardziej zło−

ny.

U=L * I / t. Przy ustalonych wartościach

żona. Napięcie wejściowe (napięcie aku−

Piotr G

Górecki

napięć U1 i U2 stosunek czasu ładowania

mulatora czy wy−

do czasu rozładowania zawsze jest stały

prostowane napię−

i nie zależy od wartości prądu obciążenia.

cie sieci) nie jest

Sprawdź to na rysunku 17 oraz wcze−

stabilne i zmienia

śniejszych rysunkach 7...13.

się w granicach

Jaki to ma być współczynnik wypeł−

nawet kilkudzie−

nienia? Pomyśl chwilę...

sięciu

procent,

Tak jest! Współczynnik wypełnienia

więc przy stałej

w trybie z rysunku 17bcd wyznaczony

„przekładni” (czyli

jest nie przez potrzebny prąd czy moc,

stałym współczyn−

tylko przez stosunek napięć wejściowe−

niku wypełnienia)

go i wyjściowego. I oto masz „przekła−

napięcie wyjścio−

dnię” przetwornicy zaporowej!

we również waha−

U1/U2 = ton/toff

łoby się w takich

Jeśli chciałbyś wyliczyć to matema−

samych granicach.

tycznie, samodzielnie rozpisz i prze−

Już z tego wzglę−

kształć wzór na zmianę wartości prądu

du trzeba stoso−

w cewce ∆I w czasie ton i toff.

wać blok płynnej

Czy wzór na „przekładnię” przetworni−

regulacji porównu−

cy odwracającej to tylko ciekawostka?

jący napięcie wyj−

Nie! Do tej pory wydawało Ci się, że

ściowe z jakimś

w każdej przetwornicy niezbędny jest

stabilnym napię−

blok płynnej regulacji współczynnika wy−

ciem odniesienia.

pełnienia impulsów sterujących. Teraz

Przy obecnym sta−

okazało się, że jeśli mielibyśmy stabilizo−

nie techniki nic nie

wane napięcie wejściowe, a chcieliby−

stoi na przeszko−

śmy uzyskać stabilne napięcie wyjścio−

dzie, by stosować

we, to wcale nie musielibyśmy stosować

układy elektronicz−

bloku regulacji współczynnika wypełnie−

ne regulujące płyn−

nia impulsów, takiego jak na rysunku 7

nie współczynnik

(w poprzednim odcinku)! Wystarczyłoby

wypełnienia impul−

zastosować generator o stałym współ−

sów sterujących

czynniku wypełnienia! Ale uważaj z jed−

kluczem (tranzy−

nym zastrzeżeniem: taka prosta prze−

storem). Umożli−

twornica „o stałej przekładni” nie mogła−

wia to poprawną

by prawidłowo pracować przy małych

pracę

zarówno

prądach wyjściowych.

w trybie z całkowi−

Czy to do Ciebie naprawdę dotarło?

tym uwalnianiem

Przeanalizuj to jeszcze raz samodzielnie,

rdzenia z energii

66

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99