Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування

11 0 Новини високих технологій

Функцію перетворення електроенергії в параметрі напруги можуть виконувати різні прилади зразок генераторів, зарядних пристроїв і трансформаторних. В тій чи іншій мірі всі вони здатні змінювати характеристики енергії, але не завжди себе виправдовує їх застосування вже з технічних і ергономічних якостей. Почасти це пов'язано з тим, що завдання трансформації струму для більшості регуляторів не є ключовою, – у всякому разі, якщо говорити і про постійному, і про змінному струмі. Саме ці обмеження мотивували виробників електротехнічного обладнання розробити імпульсний перетворювач, який вигідно відрізняється компактними розмірами і точністю стабілізації напруги.


Визначення пристрою

Численні радіотехнічні прилади, засоби автоматизації та забезпечення зв'язку рідко обходяться без силових однофазних і трифазних апаратів для трансформації струму в діапазонах від одиниць до сотень вольт-ампер. Імпульсні ж пристрої служать для більш вузьких завдань. Електротехнічний перетворювач імпульсного типу – це прилад, який перетворює напругу у невеликих часових проміжках тривалістю близько 1-2 мк/сек. Імпульси напруги при цьому мають прямокутну форму і повторюються з частотою 500-20000 Гц.
Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
Традиційні перетворювачі з можливістю регулювання напруги на виході зазвичай контролюють показник опору пристрою. Це може бути тиристор або транзистор, через який в безперервному режимі проходить струм. Саме його енергія змушує пристрій контролера нагріватися, з-за чого втрачається частина потужності. На цьому тлі імпульсний перетворювач напруги виглядає привабливіше за своїми техніко-експлуатаційними властивостями, так як у його конструкції передбачається мінімум частин, що обумовлює зниження електроперешкод. Регулювальним елементом перетворювача виступає ключ, що працює в різних режимах – наприклад, у відкритому і закритому стані. І в обох випадках виділяється мінімальний обсяг теплової енергії в процесі роботи, що підвищує продуктивність апаратури.


Призначення перетворювача

Всюди, де потрібна зміна параметрів електроенергії, в тій або іншій експлуатаційній конфігурації використовуються імпульсні трансформатори. На першому етапі широкого розповсюдження їх задіяли переважно в імпульсної техніки – наприклад, в триодных генераторах, газових лазерах, магнетронах і диференціюючою радіоапаратурі. Далі по мірі вдосконалення пристрою вони стали застосовуватися і в більшості типових представників електрообладнання. Причому це не обов'язково була спеціалізована техніка. Знову ж таки, у різних виконаннях імпульсний перетворювач може бути присутнім і в комп'ютерах, і в телевізорах, зокрема.
Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
Ще одна, але вже менш відома функція трансформаторів даного типу – захисна. Сама по собі імпульсна регулювання може розглядатися як захисна міра, але цілі у коригування параметрів напруги спочатку стоять інші. Тим не менш спеціальні модифікації забезпечують захист апаратури від замикань під навантаженням. Це особливо стосується обладнання, що працює в режимах холостого ходу. Також існують імпульсні пристрої, що запобігають перегріви і надмірні підвищення напруги.

Конструкція приладу

Перетворювач складається з декількох обмоток (щонайменше двох). Перша і основна підключається до мережі, а друга прямує до цільового приладу. Обмотки можуть виконуватися з алюмінієвого або мідного сплавів, але в обох випадках, як правило, використовується додаткова лакова ізоляція. Дроти намотуються на ізоляційну основу, яка фіксується на сердечнику – магнітопроводі. В низькочастотних перетворювачах сердечники виготовляються з трансформаторної сталі або магнітно-м'якого сплаву, а в високочастотних – на основі фериту. Сам низькочастотний магнітопровід формується наборами пластин Ш, Р або П-подібної форми. Феритові сердечники зазвичай виконуються цільними – такі деталі присутні у складі зварювальних інверторів і трансформаторів гальванічної розв'язки. Малопотужні високочастотні трансформатори і зовсім обходяться без сердечника, так як його функцію виконує повітряне середовище. Для інтеграції у електротехнічні прилади конструкція магнітопровода забезпечується каркасом. Це так званий блок імпульсного перетворювача, який закривається захисною кришкою з маркуванням та попереджувальними написами. Якщо в процесі ремонту потрібно включити апарат зі знятою кришкою, цю операцію виконують через УЗО або розв'язують трансформатор.
Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
Якщо говорити про перетворювачах, які використовуються в сучасній радіо - і електротехніці, то між ними і класичними трансформаторами напруги буде істотна різниця. Найбільш відчутне зниження габаритів і маси. Імпульсні пристрої можуть важити кілька грамів, причому експлуатаційні характеристики зберігаються на тому ж рівні.

Особливості експлуатаційних процесів

Як вже зазначалося, для регулювання струму в імпульсних трансформаторах застосовуються ключі, які самі собою можуть ставати джерелами високочастотних перешкод. Це характерно для стабілізуючих моделей, які працюють у режимі комутації струму. У моменти комутації можуть виникати чутливі перепади струму і напруги, які створюють умови для протифазних і синфазних завад на вході і виході. З цієї причини імпульсний перетворювач живлення з функцією стабілізатора передбачає використання фільтрів, усувають перешкоди. Для мінімізації небажаних електромагнітних факторів комутація ключа виконується в моменти, коли ключ не проводить струм (при розмиканні). Такий спосіб боротьби з перешкодами застосовується і в резонансних перетворювачах. Ще однією особливістю робочого процесу розглянутих приладів можна назвати від'ємний диференційний опір на вході при стабілізації напруги під навантаженням. Тобто в умовах підвищення напруги на вході струм зменшується. Даний фактор необхідно брати до уваги для забезпечення стійкості роботи перетворювача, який підключається до джерел з високим показником внутрішнього опору.

Порівняння з лінійним перетворювачем

Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
На відміну від лінійних пристроїв, імпульсні адаптери вигідно відрізняються більш високою продуктивністю, компактними розмірами і можливістю гальванічної розв'язки ланцюгів на вході і виході. Для забезпечення додаткового функціоналу з прив'язкою сторонніх приладів не потребує застосування складних схем підключення. Але є і слабкі місця у імпульсного перетворювача в порівнянні з лінійними трансформаторами. До них відносяться наступні недоліки:
  • В умовах зміни вхідного струму або напруги під навантаженням відзначається нестабільність вихідного сигналу.
  • Наявність вже згаданих імпульсних перешкод на вихідних і вхідних ланцюгах.
  • Після різких змін у параметрах напруги і струму система довше відновлюється при перехідних процесах.
  • Ризик автоколивань, які можуть вплинути на працездатність апаратури. Причому коливання такого роду пов'язані не з мережевою нестабільністю джерела, а з конфліктами всередині стабілізаційної схеми.
  • Перетворювач DC/DC

    Всі різновиди імпульсних апаратів системи DC/DC характеризуються тим, що ключі активізуються в процесі трансляції спеціальних імпульсів в напрямку транзистора. Надалі внаслідок зростаючої напруги відбувається логічне замиканням транзисторів, причому на тлі перезарядки конденсатора. Саме ця особливість відрізняє пристрій комутації імпульсних перетворювачів DC-DC від аналогічних приладів в незалежному інверторному обладнанні.
    Зазвичай такі пристрої виконують контроль постійної напруги під навантаженням в процесі підведення постійного струму до мережі. Досягається управління такого роду за рахунок регулювання напруги на відкритому ключі. Невеликі значення струму дають можливість фіксації високого рівня продуктивності, при якому ККД може досягати 95 %. Установка пікових показників працездатності системи є істотним плюсом імпульсних перетворювачів струму, однак реалізація схеми DC-DC можлива далеко не в кожній конструкції. У пристрої спочатку в якості джерела повинна виступати контактна мережа – зокрема, даний принцип використовується в акумуляторах і батарейках.

    Підвищуючий перетворювач

    Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
    За допомогою цього трансформатора проводиться підвищення напруги від 12 до 220 В. Використовують його в ситуаціях, коли джерело з відповідними параметрами живлення відсутній, але потрібно забезпечити енергопостачання приладу від стандартної мережі. Іншими словами, повинен бути введений перехідник від джерела з одними характеристиками до споживача з іншими вимогами до харчування. Схематичні конструкції імпульсних перетворювачів напруги 12-220 В допускають підключення приладів, які працюють на частоті 50 Гц. Причому потужність обладнання не повинна перевищувати максимальний силовий показник трансформатора. І навіть у разі відповідності параметрів напруги споживає пристрій повинен мати захист від мережевих перевантажень. У такого способу корекції напруги є кілька переваг:
  • Можливість тривалого робочого сеансу при максимальному завантаженні без перерв.
  • Автоматичне регулювання вихідної потужності.
  • Підвищений ККД і забезпечує стабільність робочого режиму приладу, і високу надійність функції електротехнічної ланцюга.
  • Понижуючий імпульсний перетворювач

    При використанні низькочастотного або малопотужного устаткування цілком закономірно може виникнути потреба у зниженні показника напруги. Наприклад, ця задача нерідко зустрічається при підключенні світлотехнічних пристроїв – наприклад, світлодіодного підсвічування. Для зниження перетворювач замикає регулює комутаційний ключ, після чого в ньому накопичується «зайва» енергія. Спеціальний діод в ланцюзі не пускає струм від напруги джерела до споживача. При цьому в системах самоіндукції діоди випрямлячів можуть пропускати імпульси негативної напруги. В роботі імпульсних перетворювачів 24-12 В особливо важлива функція стабілізації на виході. Задіюватися можуть і лінійні, і безпосередньо імпульсні стабілізатори. Вигідніше використовувати пристрої другого типу з широтної або частотною модуляцією. У першому випадку буде коригуватися тривалість контролюючих імпульсів, а в другому – частота їх появи. Також існують і стабілізатори зі змішаним керуванням, при якому оператор зможе при необхідності змінювати конфігурації регулювання імпульсів по частоті і тривалості.
    Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування

    Широтно-імпульсний перетворювач

    В процесі роботи використовується пристрій, що накопичує енергію в результаті трансформації. Воно може входити в базову структуру або ж підключатися безпосередньо до вхідної напруги без прив'язки до перетворювача. Так чи інакше, на виході буде усереднений показник напруги, що визначається значенням вхідної напруги і шпаруватістю імпульсів від комутаційного ключа. На операційному підсилювачі знаходиться спеціальний обчислювач, який оцінює параметри вхідного і вихідного сигналів, реєструючи різниця між ними. Якщо напруга на виході менше опорного, то до регуляції підключається модулятор, підвищує тривалість відкритого стану комутаційного ключа щодо часу дії тактового генератора. По мірі зміни вхідної напруги імпульсний перетворювач коригує схему керування ключем так, щоб різниця між вихідним і опорним показниками напруги зводилася до мінімуму.

    Висновок

    Імпульсний перетворювач: визначення, призначення, опис, види, особливості роботи і застосування
    У чистому вигляді без підключення допоміжних пристроїв на зразок випрямлячів і стабілізаторів функції перетворювача значно звужуються, хоча ефективність залишається на високому рівні. До пристроїв трансформації, які рідко обходяться без додаткового обладнання можна віднести регулятори в мережах змінного струму. Як мінімум в цьому випадку доведеться встановлювати згладжуючий фільтр і випрямляч на вході. І навпаки, імпульсні перетворювачі постійних електричних струмів і на вході, і на виході можуть автономно підтримувати свою основну функцію. Але і в таких системах важливо, щоб пристрій міг виконувати завдання стабілізації напруги. Також не варто забувати про можливих перешкодах при активному використанні комутаційних ключів у системі стабілізатора. В таких схемах без заземлення до блоку перетворювача рекомендується підключати помехозащитний фільтр.