В последнее время резко увеличился темп технического прогресса, научно-технической революции во многих областях современной техники и прежде всего в радиоэлектронике и автоматике.

Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жёсткие требования к качеству потребляемой ими электроэнергии, а в ряде случаев требует обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходило бурное развитие преобразовательной техники и статистических средств вторичного электропитания РЭА, которые осуществляют необходимые преобразования электроэнергии (часто многократные), при этом обеспечивая требуемые значения питающих напряжений, как постоянного, так и переменного – однофазного или многофазного – токов; электроизоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичных питающих напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и нагрузок; эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока.

Рассматриваемая в данном курсовом проекте бустерная схема DC – DC преобразователя используется в подвижных и стационарных автономных объектах различного назначения, снабжённых автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных или солнечных батарей и т.д.

1. Теоретическая часть

1.1. Бустерная схема и основы ее проектирования

1.1.1. Что такое бустерная схема

В чопперной схеме стабилизатора невозможно принципиально получить выходное напряжение, которое по величине будет выше входного. Тем не менее, построить повышающий стабилизатор можно. Для этого необходимо воспользоваться так называемой бустерной схемой, схематическое изображение которой приведено на рис.1.

Рис.1. Базовая схема бустерного стабилизатора.

Ключевой элемент Кл, в качестве которого используется знакомый нам транзистор, подключен параллельно нагрузке RH и работает в импульсном режиме, то есть попеременно замыкается и размыкается с частотой преобразования. Диод VD блокирует нагрузку и конденсатор фильтра С от ключевого элемента в нужные моменты времени. Когда ключ замкнут, ток i3 от источника питания Un протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом отсекает (блокирует) нагрузку и не позволяет конденсатору фильтра разряжаться через замкнутый ключ. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. Далее, когда ключ закрывается, ЭДС самоиндукции дросселя суммируется с выходным напряжением и энергия тока дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение UH оказывается больше входного Un.

Следует обратить внимание на то, что, в отличие от чопперной схемы, дроссель L не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и скважностью работы ключа. Рабочий цикл бустерной схемы также состоит из двух фаз: фазы заряда дросселя и фазы его разряда на нагрузку.

1.1.2. Фаза заряда дросселя

В данной фазе, схематически показанной на рис.2, ключевой элемент коммутирует нижний вывод индуктивного элемента к общему проводу схемы.

Рис.2. Зарядная фаза бустерного преобразователя.

Соотношение между напряжением на дросселе и током через него в общем случае определяется:

Поскольку в данном случае UL = U П а напряжение питания является постоянной величиной, то оба вывода дросселя оказываются подключенными к источнику питания с низким внутренним сопротивлением. Мы получаем очень интересный результат.

Итак,

а, проинтегрировав, получим простое выражение для тока заряда дросселя:

Давайте осмыслим полученную формулу. Предположим, что в момент замыкания ключа ток в индуктивном элементе Lвообще отсутствует. После замыкания ключа ток i3 появляется в обмотке дросселя не скачкообразно, а начинает нарастать по линейному закону. Нарастание тока в дросселе будет происходить до тех пор, пока ключ не разомкнётся.

При прочих равных условиях (напряжении питания и времени заряда) ток в индуктивном элементе к моменту окончания времени заряда будет тем больше, чем меньше индуктивность L. Этот простой, но очень важный вывод мы сделали исходя из того, что в полученном выражении индуктивность Lстоит в знаменателе. Понятно, что чем меньше индуктивность, тем легче дросселю "набирать" ток. Зависимость скорости нарастания от величины индуктивности показана на рис.3.

Рис.3. Влияние величины индуктивности на скорость нарастания зарядного тока.

1.1.3. Фаза разряда дросселя

Мы уже хорошо знаем, что основное свойство индуктивного элемента - стремление к поддержанию величины и направления протекающего через него тока. Поэтому при размыкании ключа направление разрядного тока ipсовпадет по направлению с зарядным током i. Разрядный ток замыкается через диод VDна нагрузку и подзаряжает конденсатор С, как показано на рис.4.

Рис.4. Разрядная фаза бустерного преобразователя.

Теперь нам станет понятно, что напряжение на нагрузке может быть больше напряжения питания. Согласно теории электрических цепей, напряжение на обкладках конденсатора и ток, протекающий через него, связаны следующим соотношением:

Мы можем приближенно считать, что дроссель в фазе разряда как бы является источником постоянного тока, поэтому

где Uo - напряжение на конденсаторе к моменту окончания заряда дросселя (заряд дросселя L и разряд конденсатора С происходят одновременно).

Добавка напряжения ΔU3, компенсирующая убыль энергии дросселя за счет разряда на нагрузку, будет:

Последовательно, за несколько циклов "заряд-разряд" можно увеличивать напряжение на нагрузке, причем, на первый взгляд, никаких ограничений на его потолок найти не удастся. Важно лишь, чтобы показанная на рисунке 5 добавка ΔUp < ΔU3.

Рис.5. График нарастания выходного напряжения.

Казалось бы, с помощью столь простых средств можно создать повышающий стабилизатор, имеющий на входе 1,5 В (напряжение одного гальванического элемента) и выдающий на нагрузку 1,5 кВ! К сожалению, максимальный коэффициент преобразования (даже при наличии очень хороших элементов схемы) существенно ограничен. Его значение не превышает в типичных реальных схемах 3...5. Почему так происходит, мы объясним в отдельном разделе. Пока же определим вид регулировочной характеристики (зависимости выходного напряжения от входного и режима работы стабилизатора).

В фазе заряда максимальное значение тока дросселя:

где i0 - добавка тока, определяемая режимом, в котором ключ Кл постоянно разомкнут:

В фазе разряда дросселя к нему прикладывается разность напряжений (Uн – Un) и происходит спад тока дросселя, как показано на Рис.6.

Рис.6. К определению вида регулировочной характеристики бустерного преобразователя.

В установившемся режиме "добавка" зарядного тока равна убыли разрядного, поэтому мы можем записать:

После несложных преобразований получаем:

Расчет дросселя бустерной схемы DC DC преобразователя (стр. 1 из 4)

Введение

1. Теоретическая часть

1.1. Бустерная схема и основы ее проектирования

1.1.1. Что такое бустерная схема

1.1.2. Фаза заряда дросселя

1.1.3. Фаза разряда дросселя