Рубрики

| индикация | события | инструменты | беспроводная связь | датчики | источники питания | компоненты | корпуса | микроконтроллеры | приборы | промышленная мебель | прочее | сетевые решения | силовая электроника | средства разработки | новые технологии |

Интересные статьи

Рубрика: прочее

Измерение выходных параметров однотактных понижающих преобразователей

20.10.2008 При проектировании регулируемых (или стабилизированных) понижающих однотактных преобразователей постоянного тока разработчики часто сталкиваются с дилеммой: где размещать силовой ключ — «вверху» (см. рис. 1а) или «внизу» (см. рис. 1б)? Вопрос совсем не праздный, поскольку оба варианта имеют как свои неоспоримые достоинства, так и явно ощутимые недостатки.

Рис. 1. Структурная схема однотактного понижающего преобразователя с «верхним» (а) и «нижним» (б) расположением силового ключа

Размещение силового ключа «вверху» дает возможность «привязать» схему управления преобразователем к общему для входного и выходного напряжений «нулю». Это позволяет весьма несложными средствами измерять выходные параметры (ток, напряжение) преобразователя и непосредственным образом использовать полученную информацию для регулирования и защиты.

Вместе с тем, при «верхнем» расположении силового ключа неизбежно возникают проблемы, связанные с организацией его управления. Во-первых, необходимо надлежащим образом сформировать сигнал на управляющем электроде (базе или затворе, в зависимости от типа используемого транзистора) силового ключа, «прыгающего» относительно «нуля». Для этого используется схема-драйвер, а для ее питания в данном случае необходим специальный гальванически развязанный по входу и выходу источник. Во-вторых, совсем непростой задачей является передача «наверх» сигнала управления, особенно при высоких входных напряжениях, когда непосредственное потенциальное или токовое управление драйвером становится технически неэффективным.

При «нижнем» расположении силового ключа достоинства и недостатки рассматриваемой структуры меняются местами. Ключ перестает «прыгать» относительно «нуля», и организация его управления уже не вызывает каких-то особенных трудностей. Для питания драйвера достаточно простого неразвязанного источника, а в ряде случаев драйвер и вовсе может питаться непосредственно от входного напряжения. В то же время разобщенность входного и выходного «нулей» делает весьма затруднительной передачу информации о выходных параметрах преобразователя в схему его управления.

На рисунке 2 показана сочетающая достоинства обоих вариантов схема преобразователя с «нижним» располо

жением силового ключа и измерительным органом напряжения (ИОН), способным непосредственным образом, без промежуточных преобразований, передать информацию о выходном напряжении в схему управления (СУ), «привязанную» к входному «нулю» [1].

Рис. 2. Структурная схема измерительного органа напряжения

Дроссель силовой структуры преобразователя размещен в минусовой цепи нагрузки, образуя схему с общим для входного и выходного напряжений «плюсом». Это позволяет «связать» все потенциалы схемы.

ИОН состоит из двух транзисторов V1 и V2, включенных по схеме токового зеркала [2], и двух резисторов R1 и R2. Транзистор V1 и резистор R1 образуют управляющее или опорное плечо токового зеркала, транзистор V2 и резистор R2 — исполнительное. Напряжение на измерительном резисторе R2, являющееся выходным сигналом ИОН, подается на измерительный вход СУ преобразователем. Поскольку опорное плечо токового зеркала подключено непосредственно к выходу преобразователя, ток I₁, протекающий через транзистор V1, пропорционален выходному напряжению U_вых:

I₁ = k · U_вых,

где k — коэффициент пропорциональности, определяемый коэффициентом усиления транзистора и сопротивлением резистора R1.

По принципу работы токового зеркала ток коллектора I₂ исполнительного транзистора V2 всегда равен току опорного плеча. Тогда на измерительном резисторе R2 будет падать напряжение:

U₂ = I₂ · R₂ = I₁ · R₂ = k · U_вых · R₂.

Следовательно, на измерительный вход СУ подается сигнал, пропорциональный выходному напряжению преобразователя. При высоких входных напряжениях для удобства согласования сигналов и для снижения мощности, рассеивающейся в транзисторе V2, вместо резистора R2 может быть использован высо-коомный делитель напряжения, выход которого будет являться выходным выводом ИОН.

Аналогичным образом может быть получена информация о выходном токе преобразователя. На рисунке 3 представлена схема преобразователя с измерительным органом тока (ИОТ), выполненным с использованием описанного выше приема [3].

Рис. 3. Структурная схема измерительного органа тока

Токоизмерительный резистор (шунт) R1 включен между эмит-терными цепями транзисторов V1 и V2, образующих токовое зеркало, опорное плечо которого подключено к шунту со стороны «вытекающего» тока, а исполнительное плечо — со стороны «втекающего» тока. Резистор R4 задает ток I2 через транзистор V2. Поскольку падения на база-эмиттерных переходах транзисторов равны между собой, то, по закону Кирхгофа, равны и падения напряжения U1 и U2 на резисторах R1 и R2:

I_н · R₁ = I₁ · R₂,

где Iн — ток нагрузки, а I1 — ток исполнительного плеча токового зеркала. Тогда: I₁ = I_н ·R₁/ R₂.

Будучи управляемым («отражающим») элементом токового зеркала, транзистор V1 является источником тока, и, следовательно, напряжение U3 на измерительном резисторе R3, которое является выходным сигналом ИОТ, рассчитывается по формуле:

U₃ = I₁·R₃ = I_н ·R₁·R₃/R₂.

Таким образом, на измерительный вход СУ преобразователем подается сигнал, пропорциональный току нагрузки. Чтобы избежать потери работоспособности ИОТ и связанной с этим утраты информации о выходном токе преобразователя при коротком замыкании нагрузки, опорное плечо токового зеркала питается входным, а не выходным, как в предыдущем случае, напряжением. Для согласования уровня выходного напряжения ИОТ со схемой управления преобразователем измерительный резистор может быть разделен на две части, образующие делитель напряжения.

Таким образом, благодаря использованию в измерительных цепях напряжения и тока транзисторных токовых зеркал, передача информации о выходных параметрах (напряжении, токе) преобразователя в схему его управления осуществляется через ток, а не через напряжение. Это позволяет значительно упростить схемотехнику преобразовательных структур с разобщенными входным и выходным «нулями».

Литература

1. Коняхин С, Машуков Е., Свиридов П., Селиверстов И., Шевцов Д. Регулируемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное/Патент на полезную модель № 68202 , Н02М 3/335, 2007.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники». — М: «Мир», 1983, т. 1, стр. 123—126.
3. Коняхин С, Машуков Е, Свиридов П., Селиверстов И., Шевцов Д. Регулируемый преобразователь напряжения//Патент на полезную модель № 68203, Н02М 3/335, 2007.

С. Коняхин, П. Свиридов, И. Селиверстов, Е. Машуков, Д. Шевцов Электронные компоненты №8 2008 (c)

другие статьи

Комментарии

Комментариев нет. Ваш комментарий будет первым.

Чтобы оставить свой комментарий Вам необходимо зарегистрироваться.