1. Імпульсні регулятори сталої напруги на повністю керованих ключах[3]

Такі регулятори використовують для живлення навантажень сталою напругою U_d, величина якої відрізняється від напруги джерела живленняЕ. Як навантаження можуть використовуватися обмотки збудження електричних машин, електромагнітні механізми, двигуни постійного струму. Крім того, імпульсні регулятори (стабілізатори) широко застосовуються в джерелах вторинного електроживлення пристроїв автоматики та радіоелектронної апаратури.

1. Принцип імпульсного регулювання

Принцип дії імпульсних регуляторів базується на використанні імпульсних методів регулювання напруги. При цьому регулюючий елемент працює в режимі ключа (Рис.  1 .1). Середнє значення напруги на навантаженні U_d регулюється за рахунок зміни співвідношення між тривалостями замкнутого і розімкнутого стану ключS. Напруга на навантаженніu_d(t) має форму прямокутних імпульсів (Рис.  1 .2).

Рис.1.1

Рис.1.2

Середнє значення напруги на навантаженні

, (1.1)

де t_i – тривалість імпульсу напруги на навантаженні;

t_п – тривалість паузи між імпульсами;

Т– період повторення імпульсів.

Діюче значення вихідної напруги на навантаженні

(1.2)

Коефіцієнт форми напруги на навантаженні

. (1.3)

Оскільки вихідна напруги імпульсних регуляторів має періодичний характер, крім сталої складової, вона містить також гармоніки змінної складової. Середнє значення напруги U_d характеризує енергію, яка передається сталою складовою напруги. Діюче значення напруги характеризує всю енергію, яка передається як сталою, так і змінними складовими напруги. Для багатьох споживачів корисною є саме стала складова напруги. Змінні складові струму, перетікаючи через навантаження і елементи схеми регулятора, призводять лиш до їх додаткового нагрівання, тобто марних втрат енергії. Для того, щоб не пропустити до навантаження змінні складові струму, між регулюючим елементом і навантаженням ставлять відповідні фільтри. Коефіцієнт форми напруги, який дорівнює відношенню діючого до середнього значення напруги, характеризує співвідношення загальної кількості енергії, що передається, до енергії сталої складової. Очевидно, що для регуляторів сталої напруги бажано забезпечувати режими, за якихK_ф→1. Як випливає з ( 1 .3), ця умова буде виконуватися тоді, колиt_i→T,тобто за малою тривалості паузиt_п. Оскільки ми розглядаємо регулятори сталої напруги, далі нас буде цікавити регулювання саме середнього значення напруги на навантаженні.

У схемах регуляторів сталої напруги, як регулюючий елемент (ключ), використовують транзистори або тиристори. Транзистори та двоопераційні тиристори за своїми властивостями наближаються до повністю керованих ключів. Тиристори (одноопераційні) за своїм принципом дії є напівкерованими ключами. Під час їх роботи в колах сталого струму треба застосовувати вузли примусової комутації. Тому спочатку розглянемо особливості побудови і роботу імпульсних регуляторів на повністю керованих ключах, а потім особливості імпульсних регуляторів сталої напруги на тиристорах.

2. Основні способи імпульсного регулювання

З ( 1 .1) випливає, що при сталій напрузі джерела живлення Е, середнє значення напруги на навантаженніU_dможна регулювати, змінюючи параметри імпульсної напруги: тривалість імпульсуt_i(паузиt_п), або період повторенняТ(частоту слідуванняf). Відповідно до цього розрізняють такі способи імпульсного регулювання.

Широтно-імпульсне регулювання(ШІР), при якому змінюється тривалість (ширина) імпульсів (t_i=var), а період їх повторення залишається сталим (Т=const).

Середнє значення напруги на навантаженні

, (1.4)

де =t_i/T– коефіцієнт заповнення імпульсів.

Плавно змінюючи  від 0 до 1, ми тим самим будемо плавно регулюватиU_d від 0 доЕ.

Частотно-імпульсне регулювання (ЧІР) характеризується тим, що регулювання здійснюється шляхом зміни періоду повторення імпульсівТ(частоти їх слідуванняf=1/T).

При цьому можливі такі випадки:

а) t_i=const;t_п=var;

б) t_п=const;t_і=var;

в) t_i=var;t_п=var.

Останній випадок, при якому одночасно змінюються усі параметри імпульсів, називають комбінованим регулюванням.

Для випадку а) середнє значення напруги на навантаженні

. (1.5)

При цьому способі регулювання максимальне значення напруги на навантаженні U_dmax→E, коли частота слідування імпульсів наближається до свого максимального значенняf→1/t_i. Мінімальне значенняU_dmin→0, коли f→0.

Для випадку б) середнє значення напруги на навантаженні

. (1.6)

При цьому способі регулювання максимальне значення напруги на навантаженні U_dmax→E приf→0, а мінімальне значення напругиU_dmin→0, коли частота слідування імпульсів наближається до свого максимального значенняf_max→1/t_п. На Рис.  1 .3 показано форму напруги на навантаженні для двох випадків частотно-імпульсного регулювання (Рис.  1 .3,а,б), а також широтно-імпульсного регулювання (Рис.  1 .3,в) при двох значеннях коефіцієнта заповнення імпульсів:₁=0,25; ₂=0,75.

Імпульсні регулятори сталої напруги найчастіше використовуються для регулювання середнього значення напруги на навантаженні або для підтримування її на заданому рівні (стабілізації).

Рис. 1.3

У режимі регулювання основною характеристикою є регулювальна характеристика – залежність середнього значення вихідної напруги від величини регульованого параметра.

Для широтно-імпульсного регулювання (ШІР) регульованим параметром є тривалість імпульсу t_i(U_d=Et_i/T). У режимі регулювання вважають, що напруга джерела живленняЕзалишається сталою. Максимально можлива напруга на навантаженніU_d=E. Для зручності використання регулювальні характеристики доцільно подавати у відносних одиницях. Введемо параметрвідносна напругана навантаженні, якU_d ^* = U_d/U_dmax. У цьому випадку регулювальна характеристика широтно-імпульсного регулятора у відносних одиницях матиме такий вигляд:

,

(1.7)

де t_i ^*=t_i/T– відносна тривалість імпульсу, або коефіцієнт заповнення імпульсів.

При частотно-імпульсному регулюванні зі сталою тривалістю імпульсу (ЧІР-а) регульованим параметром є період Т(частота) імпульсів. Відносна напруга на навантаженні згідно з ( 1 .5)U^*_d=t_if. Враховуючи, що максимальна частота імпульсівf_max=1/t_i, регулювальна характеристика для ЧІР-а у відносних одиницях має такий вигляд:

,

(1.8)

де f^*=f/f_max– відносна частота імпульсів.

При частотно-імпульсному регулюванні зі сталою тривалістю паузи (ЧІР‑б) згідно ( 1 .6) відносна напруга на навантаженні U^*_d=(1–t_пf). Враховуючи, що максимальна частота імпульсів f_max=1/t_п,регулювальна характеристика для ЧІР‑б у відносних одиницях має такий вигляд

,

(1.9)

де f*=f/f_max –відносна частота слідування імпульсів.

На Рис.  1 .4 наведено графік регулювальної характеристики для широтно-імпульсного регулювання, а на Рис.  1 .5 – для частотно-імпульсного.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Наведені графіки дозволяють визначити для заданої напруги на навантаженні U_dвеличину регульованого параметра, або для заданого регульованого параметра – середнє значення напругиU_d.

Приклад 1.1. Напруга джерела живленняЕ=100В. Імпульсний регулятор працює в режимі ЧІР-б. Тривалість паузиt_п=0,1мс.

Максимальна частота імпульсів f_max=1/t_п=10⁴=10кГц. На навантаженні треба одержати середнє значення напругиU_d=60В. Відносна напруга на навантаженніU_d^*=U_d/E=0,6.За графіком Рис.  1 .5,б визначаємо відносну частотуf^*=0,4. Отже, для одержання на навантаженні середнього значення напругиU_d=60В частота імпульсів регулятора повинна бутиf=f_maxf^*=10∙0,4=4кГц.

При роботі імпульсного регулятора в режимі стабілізації напруги, середнє значення напруги на навантаженні U_d залишається сталим, а напруга джерела живленняЕзмінюється. Очевидно, що при будь-якому способі регулювання мінімальна напруга джерела живлення не може бути меншою від напруги на навантаженні (E_min=U_d). Введемо параметр коефіцієнт перевищення напругиK=E/E_min=E/U_d. Визначимо залежність регульованого параметра від коефіцієнта перевищення напруги для різних видів імпульсного регулювання.

Для широтно-імпульсного регулятора U_d=Et_i/T.Отже,t_i/T= U_d/Е. Або у відносних одиницях

.

(1.10)

Для частотно-імпульсного регулювання зі сталою тривалістю імпульсу (ЧІР-а) U_d=Et_if=Ef^*. Отже,

.

(1.11)

Для частотно-імпульсного регулювання зі сталою тривалістю паузи (ЧІР‑б) U_d=E(1–t_пf)= E(1–f^*). Отже,

.

(1.12)

На Рис.  1 .6 наведено графік залежності регульованого параметра від коефіцієнта перевищення напруги для широтно-імпульсного регулювання, а на Рис.  1 .7 – для частотно-імпульсного. Наведені графіки дозволяють визначити величину регульованого параметра при зміні живлення регулятораЕ.

Рис. 1.6

Рис. 1.7

Приклад 1.2.Імпульсний регулятор працює в режимі ЧІР-б, як стабілізатор напруги зU_d=60 В. Спочатку напруга джерела живлення булаЕ=100 В. При цьому частота імпульсівf=4 кГц (див. Приклад  1 .1). Потім напруга джерела живлення підвищилася на 20 В (Е=120 В). Коефіцієнт перевищення напругиK=E/U_d=2,0. З графіка (Рис.  1 .7,б) визначаємо, що відносна частота становитиме при цьомуf^*=0,5. Отже, робоча частота імпульсного регулятора при цьому зросте від 4 кГц доf=10f^*=5 кГц.

Комбіноване регулювання, при якому одночасно змінюються усі параметри імпульсів T(f), t_i, t_п, для регулювання напруги практично не застосовується, оскільки в такому випадку система керування повинна одночасно регулювати два параметри (T=t_i+t_п). При цьому вихідна напругаU_dє функцією двох змінних і такий регулятор може мати безліч регулювальних характеристик.

У той же час комбіноване регулювання широко застосовується при стабілізації напруги, зокрема в двопозиційних стабілізаторах. Але при цьому на виході регулюючого елемента обов’язково повинен стояти згладжуючий фільтр.