Розрахунок схеми широтно-імпульсного стабілізатора напруги

ВСТУП

 

У даній роботі ведеться розрахунок схеми широтно-імпульсного  стабілізатора напруги. В порівнянні з лінійними стабілізаторами  напруги, імпульсні стабілізатори  напруги мають відмінну особливість. В імпульсних стабілізаторів, регулюючий елемент працює в ключовому режимі. Існує два типи імпульсних стабілізаторів : імпульсний стабілізатор релейного  типа, в яких комутація виробляється по рівню напруги в RC ланцюжку, і широтно-імпульсні стабілізатори, в яких комутація здійснюється за часом. При регулюванні часу провідності і відсічення ключа, змінюється середнє значення вихідної напруги на навантаженні. Регулювання відносного часу провідності ключа можна здійснити двома способами : зміною інтервалу провідності ключа при постійній частоті перемикання (широтно-імпульсна модуляція) або зміною частоти перемикання при постійному інтервалі провідності ключа (частотно-імпульсна модуляція). Постійність частоти включення регулюючого елементу - істотна перевага стабілізаторів з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), оскільки дозволяє  виробити  оптимальний вибір параметрів елементів згладжуючого фільтру і виконати його з мінімальним об'ємом і масою.

Системи електроживлення  здійснюють не тільки перетворення, але  і стабілізацію вихідної напруги  та струму. Головне завдання стабілізуючих  пристроїв - здійснювати стабілізацію параметрів електричної енергії  в заданому діапазоні при зміні  дестабілізуючих факторів в широких  діапазонах. Дестабілізуючими є такі чинники: зміна напруги джерела живлення (первинного джерела), зміна величини навантаження, зміна частоти вхідної напруги, зміна температури навколишнього середовища, зміна вологості, дію електромагнітних полів, випромінювань, атмосферного тиску. До внутрішніх факторів відносять зміну величини

напруги первинних джерел, зміна параметрів елементів стабілізатора - транзисторів, діодів, резисторів та інші, які пов'язані в основному  з процесом старіння елементів.

Основними дестабілізуючими чинниками є коливання напруги  первинного джерела, зміна опору  навантаження, зміна температури  навколишнього середовища та зміна  параметрів елементів стабілізатора. Величинами, які стабілізуються, є  значення вихідної напруги або струму. Діапазон зміни стабілізованої величини оцінюють таким параметром, як нестабільність або коефіцієнт стабілізації.

Розрізняють два принципи дії стабілізаторів - параметричний  і компенсаційний.

Параметричний принцип заснований на тому, що дестабілізуючий фактор діє безпосередньо на параметр нелінійного  елемента стабілізатора і змінює його таким чином, що дія дестабілізуючого чинника автоматично послаблюється .

Компенсаційний принцип  заснований на порівнянні стабілізованої величини з еталонною. Сигнал, який пропорційний різниці напруг (або  струмів) автоматично впливає на режим роботи регулюючого елемента стабілізатора, внаслідок чого дія  дестабілізуючого чинника послаблюється.

До параметричних стабілізаторів відносять стабілізатори з кремнієвими  стабілітронами, термістора, електромагнітними  дроселями, ферорезонансними контурами.

Актуальність проблеми:    Розвиток сучасних виробничих технологій та устаткування пов’язаний з розширенням  використання силових перетворювачів електроенергії у промисловості. Силові перетворювачі у свою чергу постійно вдосконалюються з метою підвищення надійності, поліпшення енергозбереження, зниження собівартості. Приоритетними напрямками вдосконалення перетворювачів є розробка нових силових компонентів та поліпшення їх характеристик, розробка нових силових схем, алгоритмів та систем управління перетворювачами.

Ефективне вирішення кожної з цих задач потребує глибокого  аналізу електромагнітних процесів у силових схемах перетворювачів, створення нових схем і принципів  управління.

Мета і задачі дослідження:  розвиток теорії  імпульсних перетворювачів (ІП) з широтним та частотним способами  регулювання, який дозволяє розширити  можливості регулювання шляхом суміщення  вказаних способів та оптимізувати умови комутації силових вентилів.

Наукова новизна одержаних  результатів: Розроблено нові математичні  моделі електричних процесів ІП, що дозволяють проводити розрахунки електричних  і конструктивних параметрів  при  вирішенні задач дослідження  і проектування. Дістали подальший розвиток методики, алгоритми і програмні модулі для розрахунку електричних процесів модульної структури (з однофазним і багатофазним принципами перетворення електричної енергії). Виконано дослідження основних параметрів ІП модульної структури з ШІМ, зроблена порівняльна оцінка показників якості перетворювачів з однофазним і багатофазним принципами функціонування.

Практичне значення одержаних  результатів:    Методики, алгоритми  і програмне забезпечення, розроблені на їхній основі, забезпечують необхідні  розрахунки електричних процесів при  значному скороченні витрат машинного  часу в порівнянні з відомими математичними  моделями; дозволяють легко враховувати  вплив параметрів елементів схеми, їхніх відхилень на характер залежностей (часових, регулювальних), одержати недосяжні  за допомогою відомих моделей  результати у вигляді кількісних оцінок, графіків, таблиць, і вироблених на їхній основі рекомендацій з вибору параметрів електричних процесів і  елементів СК, і методики проектування мінімізованих по об'єму ІП. 

1. СХЕМИ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

 

 Існує три види базових схем імпульсних перетворювачів (стабілізаторів):

1. зворотньоходові перетворювачі;
2. прямоходові перетворювачі;
3. пушпульні перетворювачі.

 

1.  Зворотньоходові перетворювачі

 

На рис.1.1 представлена базова схема  зворотньоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

 

 

а)              б)

Рис. 1.1 Базова схема зворотньоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній

 

 

Коли перемикач замкнутий (транзистор відкритий), вхідна напруга  підключена до індуктивності і вихідний діод замкнений. Струм лінійно наростає, накопичується енергія, поки перемикач  не розімкнеться. Коли це станеться, напруга на індуктивності змінить свою полярність і накопичена енергія буде передаватися на вихідну ємність і навантаження.

Варіюючи часом провідності  транзистора на певній частоті, величина накопиченої енергії в індуктивності  протягом кожного циклу провідності  може бути контрольована. Це дозволяє змінювати напругу на виході.

Ця базова схема може бути перетворена в практичну з використанням трансформатора (рис.1.2).

а)    б)     в)

Рис.1.2 Перетворення базової схеми в схему,використовуючи трансформатор

 

У зворотньоходовому перетворювачі вся енергія, яка була передана у вихідну ємність і навантаження, спочатку накопичувалася в індуктивності. Щоб забезпечити гальванічну розв'язку, замість індуктивності використовують трансформатор.

Іншою перевагою зворотньоходового перетворювача, це те, що не потрібно ніякого згладжуючого дроселя у вихідному ланцюзі. Це важливо в високовольтних джерелах живлення високої напруги і в джерелах живлення з декількома вихідними колами (рис.1.3).

Недоліком цього типу перетворювачів, це те, що вихідна ємність заряджається тільки протягом циклу відсічення.

Таким чином в порівнянні з іншими типами перетворювачів у вихідній ємності високий струм пульсацій.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.3 Схема з вихідним ланцюгом

 

Іншим недоліком, є те, що зворотньоходовий перетворювач концентрує всю енергію в індуктивності. Струм індуктивності має тільки один напрям, що вимагає більшого сердечника в зворотньоходовому перетворювачі в порівнянні з іншими типами перетворювачів.

 

1.2.   Прямоходові перетворювачі

 

На рис.1.4 показана базова схема прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

Коли перемикач замкнутий (транзистор відкритий), струм лінійно зростає і проходить через індуктивність в ємність і навантаження. Протягом включеного циклу, енергія передається на вихід і накопичується в індуктивності. Коли перемикач розмикається, енергія накопичена в

індуктивності підтримує струм, який протікає на вихід через діод, де I_n — діюче значення n-ої гармоніки струму, n - порядок вищої гармоніки струму.

   а)      б)

Рис. 1.4 Базова схема прямо ходового перетворювача і форми струмів та напруг

 

Як і в зворотньоходовому перетворювачі, величина енергії накопиченої в індуктивності, може змінюватись контролюючи цикли замкненого / розімкнутого ключа. Це забезпечує контроль вихідної напруги в прямоходових перетворювачах.

Більш практична схема прямоходового перетворювача з гальванічною розв'язкою показана на рис.1.5.

Рис.1.5 Практична схема прямоходового перетворювача з гальванічною розв'язкою

 

 

 

 

 

 

3. Пушпульні перетворювачі

 

На рис.1.6 показана базова схема прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній.

Пушпульний перетворювач - представляє собою сукупність двох прямоходових перетворювачів працюють у протифазі. Коли перемикач S1 замкнутий (рис.1.6a), діод D2 проводить енергію, яка одночасно накопичується в індуктивності і подається на навантаження.

Коли S1 і S2 відкриті (рис.1.6б), енергія накопичена в індуктивності, продовжує підтримувати струм у навантаженні через паралельні діоди D1 і D2, які знаходяться в пропускному стані. Коли перемикач S2 замкнутий, діод D1 продовжує пропускати, діод D2 припиняє пропускати і ці процеси постійно повторюються.

 

 

 

 

 

 

а)     б)

 

 

 

 

 

 

в)     г)

Рис 1.6 Схеми прямоходового перетворювача і форми струмів і напруг в ній

Пушпульні перетворювачі  подвоюють частоту імпульсних струмів  у вихідному фільтрі і отже знижують вихідну імпульсну напругу. Крім того перевага пушпульної операції полягає в тому, що сердечник трансформатора змінно намагнічується в обох напрямках  в порівнянні з зворотньоходовими.

1.4 Системи керування стабілізатором

 

Системи керування до імпульсних стабілізаторів, на даному етапі розвитку напівпровідникового виробництва, як правило, складаються з однієї спеціалізованої мікросхеми з невеликою кількістю навісних елементів. Така мікросхема включає в себе як мінімум:

1. генератор опорної частоти;
2. джерело опорної напруги;
3. підсилювач помилки;
4. широтно-імпульсний модулятор;
5. драйвер управління;
6. тригер Шмідта для запуску.

Мікросхеми випускаються як в багатовивідному виконанні з навісними допоміжними елементами, так і з трьома-чотирма виводами, вбудована в регулюючий елемент. Два виводи такої мікросхеми є силовими, а на решту подається зворотній зв'язок. Сучасні системи управління забезпечують частоту перемикання практично від нуля до декількох сотень кілогерц з коефіцієнтом заповнення 0 - 95%.

Мікросхема представляє  з себе ШІМ-контролер імпульсного джерела живлення, що працює на фіксованій частоті, і включає в себе всі необхідні для цього блоки. Вбудований генератор пилоподібного напруги вимагає для встановлення частоти тільки двох зовнішніх компонентів R і С. Частота генератора визначається за формулою:

   

Модуляція ширини вихідних імпульсів досягається порівнянням  позитивного пилкоподібної напруги, одержуваного на конденсаторі С, з двома керуючими сигналами (см тимчасову діаграму). Логічний елементи

 АБО-НЕ збуджує вихідні  транзистори Q1 і Q2 тільки тоді, коли лінія тактування вбудованого тригера перебуває в низькій логічному стані. Це відбувається тільки протягом того часу, коли амплітуда пилкоподібної напруги вище амплітуди керуючих сигналів. Отже, підвищення амплітуди керуючих сигналів викликає відповідне лінійне зменшення ширини вихідних імпульсів. Під керуючими сигналами розуміються напруги вироблені схемою регулювання мертвого часу (вивод 4), підсилювачі помилки (вивод 1, 2, 15, 16) і ланцюгом зворотного зв'язку (вивод 3).

Вхід компаратора регулювання  мертвого часу має зсув 120мВ, що обмежує  мінімальну мертве час на виході першими 4% тривалості циклу 

пилкоподібної напруги. У результаті максимальна тривалість робочого циклу складає 96% у тому випадку, якщо висновок 13 заземлений, і 48% у тому випадку, якщо на висновок 13 подано опорне напруга.

Збільшить тривалість мертвого часу на виході, можна подаючи на вхід регулювання мертвого часу (вивод 4) постійна напруга в діапазоні 0 . . 3, 3 В. ШІМ - компаратор регулює ширину вихідних імпульсів від максимального значення, що визначається входом регулювання мертвого часу, до нуля, коли напруга зворотного зв'язку змінюється від 0, 5 до 3, 5 В. Обидва підсилювача помилки мають вхідний діапазон синфазного сигналу від -0, 3 до (Vcc-2, 0) В і можуть використовуватися для зчитування значень напруги або струму з виходу джерела живлення. Виходи підсилювачів помилки мають активний ВИСОКИЙ рівень напруги і об’єднані  функцією АБО нa неінвертуючому вході ШІМ - компаратора. У такій конфігурації підсилювач, що вимагає мінімального часу для включення виходу, є домінуючим в петлі управління. Під час розряду конденсатора С на виході компаратора регулювання мертвого часу генерується позитивний імпульс, який тактується тригер і блокує вихідні транзистори Q1 і Q2. Якщо на вхід вибору режиму роботи подається опорна напруга (висновок 13),  триггер  безпосередньо   управляє  двома вихідними транзисторами в протифазі (двотактний режим), а вихідна частота дорівнює половині частоти генератора. Вихідний формувач може також працювати в однотактним режимі, коли обидва транзистора відкриваються і закриваються одночасно, і коли потрібно максимальний робочий цикл не перевищує 50%. Це бажано, коли трансформатор має дзвенячу обмотку з обмежувальним діодом, використовуваним для придушення перехідних процесів. Якщо в однотактним режимі потрібні великі струми, вихідні транзистори можуть працювати паралельно. Для цього потрібно замкнути на землю вхід вибору режиму роботи ОТС, що блокує вихідний сигнал від тригера. Вихідна частота в цьому випадку буде рівна частоті генератора.

Мікросхема  має вбудований джерело опорної напруги на 5, 0 В, здатний забезпечити випливає струм до 10мА для зсуву зовнішніх  компонентів схеми. Опорна напруга  має похибку 5% у діапазоні робочих  температур від 0 до 70 ° С.

 

1.5 Регулюючі елементи

 Розглянемо, які регулюють елементи застосовуються в перетворювачах, їх достоїнства і недоліки, тому що від них в основному залежить режим роботи і якісні параметри перетворювача.

 В якості регулюючих  елементів використовуються:

1. тиристори;
2. біполярні транзистори;
3. біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT;
4. силові польові транзистори MOSFET.

У перетворювачах з тиристорним  регулюючим елементом є основна  проблема закриття тиристора. Для цього  струм через тиристор повинен  певний час підтримуватися менше  струму утримання, щоб неосновні  носії рекомбінували. При комутації  великих струмів, це становить деяку  проблему, а також вимагає певного  інтервалу часу, що обмежує граничну частоту перемикання. Існують розробки тиристорів, в яких закриття тиристора  відбувається подачею негативної напруги  на керуючий електрод, але поки що ці тиристори можуть, комутувати лише малі струми. Переваги тиристорних  перетворювачів, полягає в тому, що імпульс включення треба подавати лише на початку інтервалу провідності  і у включеному стані тиристор має мале падіння напруги, що позитивно  впливає на потужність, що виділяється  на тиристорі в момент провідності.

При використанні біполярного  транзистора як регулюючого елемента, існує також ряд недоліків. Для підтримки транзистора у відкритому стані необхідно подавати до бази дуже великі струми, що ускладнює систему управління і негативно впливає на ККД перетворювача. Частота перемикання біполярних транзисторів як правило, становить 20-40кГц, так як рекомбінація неосновних носіїв у базі відбувається досить повільно. Перевага біполярного

транзистора, це те, що він  має   невелике   падіння напруга в режимі насичення.

Використання IGBT почалося ще з 80-х років. IGBT є продуктом розвитку технології силових транзисторів зі структурою метал-оксид-напівпровідник, керованих електричним полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) і поєднують в собі два транзистора в одній напівпровідниковій структурі: біполярний (створюючий силовий канал) і польовий (створюючий канал управління). Поєднання двох приладів в одній структурі дозволило об'єднати хороші сторони польових і біполярних транзисторів: високий вхідний опір з високим струмовим навантаженням і малим опором у включеному стані. Типова робоча частота становить 50кГц, хоча за останнім розробкам, існують WARP Speed ​​IGBT, які можуть працювати на граничній частоті 150кГц.

Використання силових  польових транзисторів, також має  ряд переваг і недоліків. Основні  переваги польових транзисторів, це те, що управління здійснюється полем і  струми проходять лише в моменти  перемикання для заряду або розряду  ємності затвора. У польових транзисторів немає також рекомбінації не основних носіїв, що значно збільшує частоту  перемикання. Єдиним недоліком є  ​​те, що у включеному стані канал транзистора має певний опір на якому розсіюється помітна потужність. Проте за останніми розробками фірмою International Rectifier за технологією HEXFET 3.5 випущена нова серія польових транзисторів, у яких на прикладі транзистора IRFPS59N60C при струмі комутації 59А опір каналу у відкритому стані складає 45мОм, що на 89% нижче промислового стандарту.

 В імпульсному стабілізаторі регулюючий елемент перетворює вхідну постійну напругу в серію послідовних імпульсів встановленої частоти і широти, а згладжує фільтр демоделірує їх знову в постійну напругу . При зміні вхідної напруги або струму в навантаженні в імпульсному стабілізаторі за допомогою ланцюга зворотного зв'язку, яка складається з вимірювального елемента і широтно-імпульсного модулятора (ШІМ), який змінює тривалість імпульсів таким чином, що вихідна напруга залишається стабільним з необхідною точністю.

Імпульсний режим роботи дозволяє значно зменшити потужність втрат в регулюючому елементі і за рахунок цього підвищити  ККД стабілізатора, зменшити його масу і габарити. У цьому велика перевага імпульсних стабілізаторів перед безперервними  стабілізаторами.

Імпульсні стабілізатори  в залежності від способу управління регулюючим транзистором можуть виконуватися з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), частотно-імпульсною модуляцією (ЧІМ) або релейного типу. У ШІМ стабілізаторах в процесі роботи змінюється довжина імпульсу, а частота комутації залишається незмінною, в ЧІМ стабілізаторах змінюється частота комутації, а довжина імпульсу залишається незмінною, в релейних стабілізаторах в процесі регулювання напруги змінюється і довжина і частота імпульсу;це їхній основний недолік, який обмежує їх застосування.

Режим безперервних струмів дроселя. На інтервалі часу 0 – t1 транзистор VT закритий, струм дроселя протікає через діод VD в навантаження Rн і конденсатор Cн. При цьому напруга на дроселі рівна Uн-Uп-Uпр, а на транзисторі Uн - Uпр. У момент часу t1 відкривається транзистор VT і через нього на інтервалі (t1- t2)  протікає імпульсний струм   амплітудою  Icm,  обумовлений розрядом конденсатора Сн через діод VD із-за його інерційності. Після закінчення процесів розсмоктування неосновних носіїв в діоді VD (момент часу t2) конденсатор Сн відключається від дроселя і транзистора і розряджається в навантаження струмом Iн. Протягом цього ж часу (t2- t3) відбувається накопичення енергії  в дроселі (збільшення струму від IL min до IL max) за рахунок підключення до джерела живлення через насичений транзистор VT. При цьому    напруга     рівна Uси = Uсинас; Ul = Uп – Uсинас; Uд = Uн – Uсинас.

З моменту часу t3  весь процес повторюється. Наявність процесів розсмоктування в транзисторі приводить до його закривання через час tрас після закінчення   імпульсу Uп.у.

Режим переривистих струмів дроселя. Відмінність даного режиму від режиму безперервних струмів дроселя полягає в наступному. Після закриття регулюючого транзистора, струм, що протікає через дросель і діод, зменшуючись, досягає нуля у момент часу t3. На інтервалі t3—t4, коли транзистор як і раніше закритий, струм через дросель і діод дорівнює нулю. У момент часу t3 напруги стрибкоподібно зменшуються на транзисторі від Uн-Uпр до Uп, на дроселі від Uн-Uп-Uпр до нуля, на діоді напруга збільшується від Uпр до Uн -Uп, а струм конденсатора змінюється від нуля до Ін. Під час вступу відмикаючого імпульсу Uп.у. транзистор відкривається, його колекторний струм починає плавно збільшуватися від нуля без викидів IСm, оскільки протягом часу t3-t4 діод закритий.

 Істотним недоліком режиму переривистих струмів є підвищена пульсація напруги на навантаженні із-за збільшення тривалості розряду конденсатора в навантаження і збільшення внутрішнього опору.

 

1.6 Основні параметри стабілізатора

 

Стабілізатори характеризують такі параметри: коефіцієнт стабілізації, вихідний опір, температурний коефіцієнт напруги (ТКН) або струму, ККД  і  ін.

Коефіцієнт стабілізації – це відношення  відносної зміни дестабілізуючої величини до відносної зміни стабілізованої величини. Наприклад, для стабілізатора струму коефіцієнт стабілізації струму навантаження по вхідній напрузі:

   .

Розрізняють інтегральний та диференційний коефіцієнти стабілізації. Інтегральний коефіцієнт стабілізації характеризує стабілізацію в заданому діапазоні зміни дестабілізуючою  величини. Диференційний коефіцієнт стабілізації характеризує стабілізацію в певній робочій точці. Практичне  значення має інтегральний коефіцієнт стабілізації, оскільки дестабілізуючі фактори найбільш часте змінюються в широкому діапазоні. Інтегральний коефіцієнт стабілізації вихідної напруги вхідному визначається:

,

де    - коефіцієнт передачі напруги з входу стабілізатора на його вихід в номінальному режимі.

Вихідним опором стабілізатора  називається відношення зміни напруги  на виході стабілізатора до зміни  струму навантаження, яке викликало  це зміна напруги, при постійній  величині вхідної напруги:

.

Знак мінус вказує на те, що зі збільшенням струму навантаження вихідна напруга зменшується  і навпаки. Менше вихідний опір стабілізаторів може мати величину 0,1 Ом. Менше вихідний опір джерела живлення є сприятливим  для живлення електронної апаратури, зокрема запобігає режим самозбудження, а також покращує частотні характеристики. У зв'язку з цим

 стабілізатори використовують  як джерела живлення з маленьким  вихідним опором.

Температурний коефіцієнт напруги  або струму стабілізатора дорівнює відносного зміни стабілізованої величини при зміні температури на 1С:

.

До стабілізаторів, як до джерел вторинного електроживлення  ставляться такі вимоги: забезпечення високого ККД, маленьких пульсацій  вихідної напруги (струму), високої  швидкодії, маленької чутливості до змін температури, заданої величини ТКН, заданого коефіцієнта стабілізації, плавного регулювання вихідної напруги (струму), мінімальної маси і габаритів.

Статична регулювальна характеристика стабілізатора підвищувального типу (без урахування втрат в транзисторі і діоді) визначається залежністю:

 

де s = (rL + r дин)/Rн ; r дин , rL , Rн – опір діода (динамічний), дроселя і навантаження відповідно.

За наявності практично неминучих втрат в дроселі (s ≠ 0), а також у транзисторі і діоді на регулювальної характеристиці з'являється екстремум, значення якого сильно залежить від s. На підставі побудованих регулювальних характеристик можна відзначити наступні недоліки для стабілізаторів підвищувального типу:

1. для отримання великого діапазону регулювання вихідної напруги необхідно забезпечити малі значення s;
2. нелінійність характеристик погіршує умови стійкої роботи стабілізатора;

3. в режимі холостого ходу вихідна напруга стабілізатора, починаючи з g > (0,6 - 0,8), різко збільшується при s = 0.

 

 

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ І ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ

 

 

2.1 Розробка структурної схеми

 

Для даного стабілізатора  була розроблена наступна структурна схема зображена на рис.2.1.

Рис.2.1 Структурна схема стабілізатора

 

На рис.2.1 показані такі елементи структурної схеми як: ДЖ- джерело вхідної постійної напруги з парамерами задними в технічному завданні, К – схема комутації, яка складається із силового вентиля і драйвера, Ф – вихідний фільтр, Н – навантаження, СК – схема керування із вимірювачем напруги.

Схема керування складається  із обробника сигналів зворотнього зв’язку, схеми регулювання та ШІМ модулятора (рис.2.2).

Принцип роботи полягає у  зміні коефіцієнту заповнення в  залежності від сигналів зворотнього зв’язку. Зі збільшенням напруги зменшується коефіцієнт заповнення і навпаки.

В якості вимірювача напруги  та елементу керування використовується резисторний подільник зі змінним коефіцієнтом поділу, тобто змінним

 резистором у верхньому  плечі. Система керування знаходиться  у стаціонарному режимі, коли напруга зворотнього зв’язку вирівнюється із заданим значенням.

Рис 2.2 Структура системи керування

 

На рис.2.2 зображено структурну схему системи керування, де ВХМ  – вхідний модуль, який забезпечує живлення схеми та прийом сигналів зворотнього зв’язку, ВИХМ – вихідний модуль, який забезпечує забезпечує зв'язок із комутаційною схемою, РЕ – регулюючий елемент (схема регулювання), АЦП – аналого-цифровий перетворювач, М – модулятор, МП – мікропроцесор.

 

2.2 Розробка схеми електричної принципової

 

На рис 2.3 зображено схему  електричну принципову імпульсного  стабілізатора напруги  з ШІМ  понижуючої дії.

Регулюючим елементом  даної схеми є резистивний  подільник R3-R5. Резистори R3,R5 являються обмежувачами діапазону регулювання, R4 – власне регулюючий елемент. Дана схема зібрана на базі мікроконтролера ATMega16 фірми Atmel, який містить у своєму складі таймери, АЦП, МП та регістри вводу-виводу. Тому використовуємо вбудований АЦП. Модулятор виконується програмно з використанням вбудованого таймера та регістру вводу виводу.

Рис 2.3 Схема електрична принципова імпульсного стабілізатора напруги

В якості вихідного фільтра  використовується LC-фільтр, забраний на елементах L2-C5.

Навантаженням схеми являється  резистор R2.

В якості ключа використовуємо низьковольтний HEXFET IRFZ24N із малою вхідною ємністю.

Параметри силових ключів IRFZ24N :

• напруга сток - витік – 55В;
• напруга затвор - сток – 20В;
• струм стока – 17А;
• потужність розсіювання – 17Вт;
• опір відкритого каналу – 17•10^-3 Ом;
• вхідна ємність – не більше 500 пФ.

Каскад керування ключем виконаний з використанням драйвера IR210, з параметрами:

• V_OFFSET =600В;
• I_O=+130 мА /- 270 мА;

• V_OUT =10 – 20В;
• t_on/off =160 / 150 нс;
• Затримка перемикання 50 нс.