Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne część 31- jak działają? (przebiegi i schematy)

We wcześniejszych odcinkach cyklu dość dokładnie omówiliśmy przetwornice z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia. Najpierw w naturalny sposób doszliśmy do klasycznych przetwornic przepustowych full-bridge, half-bridge, a co ważne, jakże push-pull. Potem okazało się, że prosta, i bardzo stara, dwutranzystorowa koncepcja push-pull może być wykorzystana w bardzo różny sposób. Drobne na pozór modyfikacje układu zupełnie zmieniają zasadę działania przetwornicy.
Article Image

Dowiedzieliśmy się, że od dawna znane i dość popularne były i są prawdziwe przetwornice Royera, gdzie rdzeń ulega chwilowemu nasyceniu przy obu kierunkach magnesowania. W następnym kroku okazało się, że bardzo podobny schemat, wzbogacony o jeden tylko kondensator, mają przetwornice rezonansowe, gdzie rdzeń w nasycenie nie wchodzi, a które powszechnie, a niesłusznie też nazywane są przetwornicami Royera.

Wszystkie „rojery”, i te z nasycanym rdzeniem, i te rezonansowe, mają prostą budowę, pracują przy niezmiennym wypełnieniu 50% i w związku z tym nie dają możliwości regulacji za pomocą zmiany wypełnienia. Niemniej prostota i inne istotne zalety zdecydowały o ich dużej popularności.

Jak działa klasyczna przetwornica z dwukierunkowym magnesowaniem?

My, zgodnie z zapowiedziami, musimy wrócić do klasycznych przetwornic z dwukierunkowym magnesowaniem, gdzie regulacja napięcia wyjściowego możliwa jest za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia par impulsów. Chodzi o przetwornice full-bridge, half-bridge i push-pull, które różnią się szczegółami budowy (rysunek 1), ale podstawową zasadę działania mają wspólną.

Rys.1 Przetwornice full-bridge, half-bridge i push-pull

Wszystkie są przetwornicami forward (przepustowymi), gdzie przekazywanie energii następuje na bieżąco, bez pośredniego magazynowania energii w rdzeniu, czyli inaczej niż to jest w przetwornicach flyback (zaporowych). W 25. odcinku cyklu, w EdW 2/2019 (str 36..39) omówiliśmy wstępnie ogólną zasadę działania przetwornic z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia i z regulacją wypełnienia.

Główna zasada działania jest prosta – przypomnijmy ją na przykładzie przepustowej przetwornicy push-pull z dzielonym, podwójnym uzwojeniem i rysunku 2a. Gdy zwarty jest któryś z kluczy, na jedną z połówek uzwojenia pierwotnego transformatora podawane jest napięcie zasilania i płynie tam prąd. Powoduje to powstanie napięcia na uzwojeniu wtórnym i przepływ prądu w uzwojeniu wyjściowym. Gdy zwarty jest drugi klucz, sytuacja jest analogiczna (rysunek 2b), tylko czynna jest druga połówka uzwojenia pierwotnego, a odwrotna jest biegunowość napięć (kierunek prądów i kierunek magnesowania rdzenia).

Rys.2 Przepustowa przetwornica push-pull z dzielonym, podwójnym uzwojeniem

Właśnie na przykładzie wersji push-pull dobrze widać, że klasyczne przetwornice z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia można traktować jako złożenie dwóch przetwornic „jednokierunkowych”. Podczas przewodzenia jednego albo drugiego klucza działanie jest łatwe do zrozumienia, bo jest takie, jak w fazie roboczej „pojedynczej” przetwornicy przepustowej. Wątpliwości pojawiają się, gdy chcemy dobrze zrozumieć wszystkie szczegóły, w tym zachowanie w przerwach impulsów.

Wiemy, że w „pojedynczej” przetwornicy przepustowej konieczne jest wprowadzenie drugiej części cyklu pracy, podczas której rdzeń, magnesowany w jednym tylko kierunku, musi zostać rozmagnesowany. Oczywiste jest też, że w przetwornicy „dwukierunkowej” rozmagnesowanie rdzenia (i przemagnesowanie w przeciwnym kierunku) następuje automatycznie w następnym „przeciwnym” cyklu roboczym, gdy napięcia i prądy są odwrotne. Tak, naprzemienne magnesowanie rdzenia w jednym i drugim kierunku następuje w kolejnych (pół)cyklach roboczych niejako automatycznie, co też jest oczywiste.

Wątpliwości dotyczą jednak czasu, gdy w związku z regulacją za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia wszystkie klucze są rozwarte i gdy na uzwojenie pierwotne nie jest podawane napięcie zasilania. Właśnie w odcinku lutowym niniejszego cyklu postawiliśmy pytanie: co dzieje się z prądem magnesowania właśnie w tych chwilach, gdy oba klucze są rozwarte?

Rys.3 Przebiegi -przetwornica push-pull

W literaturze można znaleźć przebiegi w tego typu przetwornicach na przykładzie łatwej do analizy przetwornicy push-pull, pokazane na rysunku 3. Czerwonym kolorem wyróżniony jest przebieg strumienia i prądu magnesowania. Pytanie dotyczy poziomych fragmentów tego przebiegu, zaznaczonych znakami zapytania.

Wtedy, kilka miesięcy temu, rozważaliśmy różne możliwości, ale dochodziliśmy do sprzeczności i wówczas nie wyjaśniliśmy zagadki. Czytelnicy zostali zachęceni, by podjąć próbę samodzielnego wyjaśnienia. A problem polega na tym, że namagnesowanie rdzenia w danej chwili jest nierozłącznie związane z aktualnym prądem magnesowania. Najprościej biorąc, namagnesowanie rdzenia jest odzwierciedleniem aktualnej wartości i kierunku prądu magnesującego.

Jeżeli magnesowanie rośnie, to prąd magnesowania rośnie. Jeśli strumień i namagnesowanie przez jakiś czas (w przerwach impulsów) pozostają niezmienne, jak na rysunku 3, to znaczy, że prąd magnesowania płynie i że jest niezmienny. Tymczasem przy wcześniejszej analizie nie potrafiliśmy wskazać obwodu, gdzie mógłby płynąć niezmienny prąd magnesujący w czasie, gdy rozwarte są oba klucze.

I to rzeczywiście jest dość trudna zagadka. W podręcznikach i skryptach ten szczegół najczęściej jest całkowicie pomijany. Aby zagadkę rozwiązać, musimy jeszcze raz wrócić do podstaw, zwrócić uwagę na pewne szczegóły, a wtedy sytuacja się rozjaśni. Dlatego przypomnijmy, że klasyczną, jednokierunkową przetwornicę przepustową (forward) możemy podzielić na dwie części.

Pierwsza to blok, wytwarzający impulsy prostokątne o zmiennym wypełnieniu, a druga część to filtr LC. Zilustrowane to jest na rysunku 4a. Regulacja polegająca na zmianie współczynnika wypełnienia w istocie jest regulacją średniej wartości napięcia (dodatnich impulsów), a filtr LC uśrednia impulsy, w idealnym przypadku dając na wyjściu napięcie stałe z zerowymi tętnieniami.

Rys.4a Klasyczna, jednokierunkowa przetwornica przepustowa (forward); 4b Przetwornica z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia

W przetwornicy z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia, na przykład według rysunku 4b, na wyjściu transformatora mamy wprawdzie pary impulsów dodatnich i ujemnych, ale po ich wyprostowaniu też otrzymujemy ciąg impulsów, powiedzmy dodatnich, które zostają uśrednione przez filtr LC.

Podkreślmy jeszcze raz, że zmiana współczynnika wypełnienia impulsów powoduje zmianę średniego ich napięcia, więc zmieniając wypełnienie, zmieniamy napięcie wyjściowe. Natomiast wypełnienie impulsów nie ma praktycznie żadnego związku z prądem obciążenia, ponieważ jak już wiemy, prąd samoczynnie dostosowuje się do obciążenia.

Poważnym problemem utrudniającym analizę przetwornic forward z dwukierunkowym magnesowaniem jest też to, że mamy w nich dwa współpracujące elementy indukcyjne. Trzeba rozpatrywać nie tylko zachowanie każdego z nich z osobna, ale też ich wzajemny wpływ i zależności między nimi. Dlatego musimy przypomnieć, że omawiane przetwornice „dwukierunkowe” są odmianą starej dobrej znajomej: przetwornicy obniżającej według rysunku 5a, tylko z rozbudowanym blokiem kluczowania napięcia i transformatorem. Na rysunku 5b celowo pozostawiłem diodę D1, choć jej funkcję mógłby pełnić mostek prostowniczy M1.

Rys.5a Przetwornica obniżająca i 5b Przetwornica przeciwsobna

Rysunek 5, a konkretnie dioda D1 przypomina, że w tego rodzaju układzie obowiązkowo trzeba zapewnić możliwość przepływu prądu przez cewkę filtrującą L także podczas przerwy między impulsami roboczymi. To jest pierwszy potrzebny nam teraz ważny szczegół. Po drugie, znów trzeba przypomnieć elementarne zależności występujące w transformatorze Tr. Mianowicie mamy w nim do czynienia z dwoma odrębnymi zjawiskami: magnesowaniem rdzenia oraz przekazywaniem energii z wejścia na wyjście.

Dlatego we wcześniejszych rozważaniach dotyczących prądu pierwotnego transformatora stwierdziliśmy, że składa się on z liniowo rosnącej składowej magnesującej IM oraz ze składowej I1K, która kompensuje dowolnie duży prąd obciążenia I2. Można to bardzo nieprecyzyjnie zilustrować jak na rysunku 6.

Rys.6 Prąd pierwotny transformatora

W szczególności gdy wyjście nie jest obciążone, gdy równy zeru jest i prąd obciążenia IL, i prąd I2, i składowa I1K, to prądem uzwojenia pierwotnego transformatora jest wtedy wyłącznie składowa magnesujące I M.

A jakie są kształty tych składowych podczas normalnej pracy przepustowej przetwornicy dwukierunkowej?

Pomyślmy: na uzwojenie pierwotne podajemy napięcie stałe z baterii B (impulsy prostokątne), więc prąd magnesowania rośnie lub maleje liniowo, zależnie od napięcia i indukcyjności transformatora. Idealny transformator miałby nieskończenie wielką indukcyjność uzwojeń, a więc prąd magnesujący narastałby nieskończenie powoli. Składowa magnesująca IM byłaby bliska zeru.

Rzeczywiste transformatory mają niezbyt wielką indukcyjność i to ona (wspólnie z napięciem zasilania) wyznacza prędkość zmian prądu magnesującego, oczywiście według zależności ΔI / Δt = U/L). Rysunek 7 pokazuje przykładowe przebiegi prądu magnesującego IM przy dużej i małej indukcyjności uzwojenia pierwotnego transformatora i przy wypełnieniu impulsów 50%.

Rys.7 Przykładowe przebiegi prądu magnesującego IM

A składowa I1K?

Ona kompensuje prąd wtórny, który finalnie staje stałym prądem wyjściowym - prądem obciążenia IL. Wartości prądów I1K i I2 są związane przekładnią, czyli stosunkiem liczby zwojów. Dla ułatwienia analizy warto zasadę działania omawiać dla przekładni równej jeden, gdy I1K = I2. Z wcześniejszych rozważań pamiętamy, że wzajemnie się kompensujące prądy I1K, I2 mogą mieć dowolną wartość i dowolny kształt, bo są w sumie wyznaczone przez obciążenie uzwojenia wtórnego. Składowa pierwotna kompensująca I1K jest więc zawsze taka sama, jak prąd wtórny I2. A jaki kształt ma prąd uzwojenia wtórnego I2?

Rys.8 Transformator - rozważanie prostokątnych przebiegów napięcia i prądu

Najprościej jest rozważać prostokątne przebiegi napięcia i prądu. W uproszczonej wersji bez filtru uśredniającego i przy wypełnieniu 50% według rysunku 8, prąd obciążenia I2, a także prąd I1K, miałyby właśnie kształt impulsów prostokątnych. Przy maksymalnym wypełnieniu (50%) w idealnym przypadku suma wyprostowanych impulsów dodatnich i ujemnych dałaby ciągłe, stałe napięcie i ciągły, stały prąd wyjściowy (obciążenia). Przebieg prądu pierwotnego byłby taki jak na rysunku 9a.

Gdy wypełnienie impulsów jest mniejsze, na wyjściu i obciążeniu rezystancyjnym z rysunku 8 otrzymalibyśmy ciąg impulsów prostokątnych, a przebieg prądu wtórnego I2 mógłby wyglądać jak na rysunku 9b.

Rys.9 Przebiegi prądu pierwotnego i wtórnego

Problem w tym, że stabilizacja napięcia wyjściowego wymaga zmniejszenia i regulacji wypełnienia impulsów, a na wyjściu i obciążeniu chcemy mieć gładkie napięcie stałe. Dlatego konieczny jest filtr wyjściowy LC, jak na rysunku 6, który uśredni (wyprostowane, jednokierunkowe) impulsy napięcia z transformatora.

Łatwo zaakceptować uproszczone przebiegi z rysunku 9c.Na uzwojeniu wtórnym występują impulsy prostokątne. Gdy jednak na wejście filtru LC podany zostanie taki prostokątny dodatni impuls napięcia z uzwojenia wtórnego, to na cewkę podane zostanie napięcie, równe różnicy między amplitudą tego dodatniego impulsu wejściowego a napięciem stałym występującym na bardzo dużym kondensatorze wyjściowym C.

Cewka zareaguje na to wytworzeniem napięcia samoindukcji i prąd w cewce filtrującej będzie rósł z szybkością (ΔI/Δt) wyznaczoną przez wartość tej różnicy napięć i indukcyjności filtru L według fundamentalnej zależności ΔI/Δt = U/L. Obecność filtru LC powoduje, że impulsy prądu I2 na pewno nie są prostokątne. Wygląda, że mają kształt trapezu, jak na rysunku 9c.

Natomiast w przerwach, gdy z transformatora nie przychodzi (wyprostowany, dodatni) impuls napięcia, cewka L, która „nie lubi zmian prądu”, podtrzyma przepływ płynącego przez nią prądu w tym samym kierunku (przez diodę D1 w układzie z rysunku 5 i przez mostek diod z rysunku 6). Cewka L wytworzy w przerwach potrzebne do tego napięcie samoindukcji, nierozłącznie związane też z szybkością zmniejszania się prądu w cewce L.

Rys.10 Dwa przykładowe spodziewane przebiegi prądu I2

Wygląda na to, że w przerwach prąd uzwojenia wtórnego I2 nie powinien płynąć. Dokładniejsza analiza za chwilę. Dla nas teraz bardzo ważne jest to, że przy obecności filtru LC prąd uzwojenia wtórnego I2 na pewno nie jest ciągiem regularnych impulsów prostokątnych. Rysunek 10 pokazuje dwa przykładowe spodziewane przebiegi prądu I2 (a tym samym także I1K) przy jakiejś dużej i małej indukcyjności filtru L.

Podkreślmy, że na kondensatorze wyjściowym C o bardzo dużej pojemności mamy gładkie stałe napięcie, co zapewnia stały (ciągły, gładki, niezmienny) prąd obciążenia IL, natomiast zgodnie z rysunkiem 10 składowa obciążeniowa I1K prądu transformatora ma kształt impulsów prądu o kształcie trapezu o nachyleniu zależnym od indukcyjności filtru L.

Porównaj teraz rysunki 7 oraz 10. Przypominam: omawiamy to, żeby rozwiązać zagadkę kształtu prądu magnesowania przy wypełnieniu mniejszym niż 50%. Na razie widzimy, że w przetwornicy forward mamy dwie oddzielne indukcyjności: indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora (ściślej biorąc, indukcyjność magnesowania LM) oraz indukcyjność cewki L – dławika filtru. Obie wyznaczają wypadkową szybkość zmian prądu pierwotnego, co znacząco utrudnia analizę działania i projektowania przetwornic.

Indukcyjność (magnesowania) uzwojenia pierwotnego LM decyduje o szybkości narastania prądu magnesującego – składowej IM, która jak pamiętamy jest „złem koniecznym”. Natomiast indukcyjność L dławika filtru wyjściowego decyduje o prądzie wtórnym transformatora I2 i kompensującej go składowej I1K prądu pierwotnego. Zilustrowane to jest w bardzo uproszczony sposób na rysunku 11.

Rys.11 Prąd w uzwojeniu wtórnym I2 i pierwotnym I1K przy obciążeniu rezystancją 'bez filtru LC' oraz 'z filtrem LC' 

Warto pamiętać o tym „podwójnym wzroście”, bo liczne rysunki spotykane w literaturze są mało dokładne, a takie uproszczenie może wprowadzać w błąd. Warto mieć świadomość, że przy bardzo dużej wartości obu indukcyjności szybkości narastania i opadania obu prądów IM, I1K byłyby znikome i miałyby postać praktycznie prostokąta, a nie trapezu. Duże indukcyjności LM i L byłyby pożądane z kilku względów, nie tylko dla ułatwienia analizy przetwornicy.

Jednak w praktyce tak duże indukcyjności wymagałyby ogromnej liczby zwojów, co oznaczałoby też dużą rezystancję drutu i duże straty. W praktyce zadaniem konstruktora jest raczej dobranie możliwie małych indukcyjności. Już tu widać, że jest to dodatkowy kłopot dla konstruktora, który powinien sensownie dobrać obie te indukcyjności. A w grę wchodzi kilka wzajemnie zależnych czynników, w tym częstotliwość. Do tych spraw jeszcze wrócimy.

Aby zbliżyć się do rozwiązania wcześniejszej zagadki dotyczącej prądu magnesującego w przerwach między impulsami, powróćmy do schematu przetwornicy przeciwsobnej (push-pull) i rysunku 12.

Rys.12 Schemat przetwornicy przeciwsobnej (push-pull)

Gdy któryś z kluczy S1, S2 jest zwarty, prąd magnesowania IM płynie właśnie przez ten klucz. Obecność dwóch połówek uzwojenia pierwotnego nie przeszkadza. Prąd magnesujący może płynąć w jednej z nich albo w drugiej. Ważne jest, że przepływ prądu w którymkolwiek uzwojeniu powoduje wytworzenie pola magnetycznego i magnesowanie rdzenia. A w przerwach między impulsami, gdy oba klucze S1, S2 są rozwarte?

Na rysunku 12 nie widać możliwości, by płynął jakikolwiek prąd pierwotny. A zgodnie z wcześniejszymi rysunkami i ustaleniami, w przerwach prąd magnesujący powinien utrzymywać swą wartość tuż sprzed rozłączenia klucza.

Jest jednak inna możliwość: prąd magnesowania może popłynąć przez dowolne inne uzwojenie, czego przykład mamy we wszystkich przetwornicach flyback, gdzie prąd magnesowania jest jednocześnie „prądem roboczym”. Tak samo może być i w dwukierunkowej przetwornicy forward: w przerwach między impulsami, gdy oba klucze są rozwarte, prąd magnesujący może płynąć przez uzwojenie wtórne! Tak! Jak najbardziej możliwe jest, że w chwilach przerw prąd magnesowania rdzenia popłynie przez uzwojenie wtórne!

Wiemy już też, że w przerwach między impulsami nadal musi płynąć prąd cewki filtrującej L i że prąd ten jest, a przynajmniej może być większy od prądu magnesującego. W wersji przetwornicy push-pull z pojedynczym uzwojeniem i prostownikiem mostkowym według rysunku 12, przez uzwojenie wtórne popłynie prąd, który spowoduje, że prądy obu gałęzi mostka nie będą jednakowe, jak pokazuje rysunek 13. Suma prądów obu gałęzi mostka będzie równa prądowi cewki L, natomiast różnica prądów gałęzi mostka będzie równa prądowi magnesującemu IM.

Rys.13 Różne prądy gałęzi mostka

Wróć jeszcze do rysunku 5b, gdzie celowo pozostawiłem też diodę D1 – w takiej wersji prąd cewki L płynąłby właśnie przez diodę D1, a nie przez mostek i sytuacja byłaby znacząco inna. W praktyce stosowane są oczywiście przetwornice bez diody D1, według rysunku 13 i wtedy różnica prądu gałęzi mostka rozwiązuje problem niewielkiego prądu magnesowania w przerwach między impulsami.

Ale często spotykane są też przetwornice z dzielonym uzwojeniem wtórnym i dwiema diodami. Wcześniej, w odcinku lutowym nie wnikając w szczegóły stwierdziliśmy, że w przerwach impulsów w uzwojeniach nie indukują się żadne napięcia. W uzwojeniu wtórnym też nie i że sytuacja wygląda jak na rysunku 14. Jest to nadmierne uproszczenie i nie do końca prawda.

Rys.14 Przetwornica z dzielonym uzwojeniem wtórnym i dwiema diodami - uproszczenie

Otóż problem małego prądu magnesującego IM w przerwach impulsów rozwiązuje fakt, iż prądy obu połówek uzwojenia wtórnego nie będą jednakowe. Jest to zilustrowane na rysunku 15. Wcześniej mówiliśmy, że przy rozwarciu obu kluczy w uzwojeniach nie indukują się żadne napięcia, ale cewka filtrująca LF „wyciąga prąd” i powoduje, że przez obie połówki symetrycznego uzwojenia wtórnego płyną dwa jednakowe prądy, których wpływ się kompensuje i znosi, a których suma jest prądem cewki LF. To zasadniczo prawda, jednak teraz okazuje się, że prądy połówek uzwojenia wtórnego nie będą równe, a ich różnica będzie właśnie prądem magnesującym transformatora w chwilach przerw.

Rys.15 Prądy obu połówek uzwojenia wtórnego - nie jednakowe

Wyjaśnienie jest, ale czy jest przekonujące? Jakie zjawisko powoduje zróżnicowanie wartości prądów mostka (rysunek 13) albo połówek uzwojenia wtórnego (rysunek 15)? Skąd prąd wie, że ma płynąć „nierówno”?

Prąd nie musi niczego wiedzieć. Nie ma tu żadnej magii, a wszystko znów wynika z prostych fundamentalnych zależności. Jeszcze do tego wrócimy, a na razie powiedzmy tylko, że aby odpowiednio zróżnicować prądy w chwilach, gdy oba klucze wejściowe są rozwarte, w uzwojeniu wtórnym (i na połówkach uzwojenia pierwotnego, co jednak nie ma żadnego praktycznego znaczenia) muszą się zaindukować jakieś znikome napięcia. I te maleńkie napięcia spowodują zróżnicowanie prądów według rysunków 13, 15.

Oczywiście powstanie tych maleńkich napięć musi wiązać się z jakąś niewielką zmianą namagnesowania rdzenia i zmianą prądu magnesowania (U = L * ΔI/Δt) co z pewną przesadą jest zilustrowane na rysunku 16a. Jednak te napięcia i zmiany prądu są znikome, więc w uproszczonych analizach przyjmujemy, że napięcia są równe zeru, a prąd magnesujący jest niezmienny - dlatego powszechnie spotykamy przebiegi jak na rysunku 16b.

Rys.16a Namagnesowanie rdzenia i zmiana prądu magnesowania 16b Przebieg uproszczony - napięcia równe zeru, prąd magnesujący niezmienny

Cieszymy się, że wyjaśniła się wcześniejsza zagadka prądu magnesowania w przerwach impulsów i związane z nią pozorne sprzeczności!

Jak najbardziej, ale czy wyjaśniła się do końca?

Niestety nie do końca! Dlatego musimy się jeszcze dokładniej przyjrzeć magnesowaniu rdzenia i innym szczegółom. Zrobimy to w następnym odcinku.

Tematyka materiału: przetwornica indukcyjna, flyback, push-pull
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich październik 2019
Udostępnij
UK Logo