تعزيز دفعة: DCM مقابل CCM. أو لماذا لا تخشى أن تأخذها بنفسك

في الآونة الأخيرة ، ازدادت شعبية الآلات الحاسبة المختلفة لحساب الدوائر الكهربائية. من ناحية ، يؤدي هذا إلى انخفاض في عتبة الدخول للمبتدئين ، وهو أمر جيد بشكل واضح ، لأنه يؤدي إلى تطوير الصناعة ، ولكن من ناحية أخرى ، ينخفض ​​مستوى الفهم ، مما يؤدي إلى انخفاض في عمر خدمة الأجهزة وتكلفتها. هل يجب أن تثق في هذه المصادر؟ دعونا نحاول معرفة مثال.

مثال على ذلك هو محول التعزيز. للوهلة الأولى ، الشيء بسيط ، ولكن إذا نظرت بمزيد من التفصيل ، اتضح أنه ليس بهذه البساطة.

سنقوم بمقارنة الآلة الحاسبة عبر الإنترنت ، والتدريب اليدوي والحساب اليدوي ، مع مراعاة نظرية المحول. لا داعي للخوف ، لن نتعمق في الفيزياء.

أولاً وقبل كل شيء ، كما هو الحال دائمًا ، نبدأ بمتطلبات محولنا:

• مدخلات الجهد - 9 فولت ؛
• الجهد الناتج - 200 فولت ؛
• تيار الإخراج - 60ma ؛

بالطبع ، هناك عدة طرق لتحقيق هذه المتطلبات: استخدام دوائر دقيقة خاصة ، أو محول أو مضخة شحن. لكننا سنلقي نظرة على محول التعزيز الكلاسيكي (eng. Boost Converter ) ، حيث إن مقارنة طرق تعزيز الجهد تتجاوز نطاق هذه المقالة.

في هذه الحالة فقط ، دعني أذكرك بمبدأ تشغيل محول التعزيز.


يتكون المحول من 5 مكونات فقط: الحث ، الصمام الثنائي ، المفتاح على شكل ترانزستور تأثير المجال ومكثفان. C _في السعة اختيارية.

عند تشغيل المفتاح ، يمر التيار من خلال الحث ويتم تخزين الطاقة في المجال المغناطيسي للحث L. يتم إغلاق الصمام الثنائي.

بمجرد إيقاف تشغيل المفتاح ، يتغير التيار من خلال الملف فجأة وينشأ جهد متزايد للقطبية العكسية عند أطراف الحث ، أثناء فتح الصمام الثنائي ، الذي يوفر المسار الحالي.


نظرًا لأن المفتاح يعمل بسرعة كبيرة ، يزيد EMF للتحريض الذاتي بشكل ملحوظ. يمر هذا الجهد من خلال الصمام الثنائي ويشحن السعة ، والتي بدورها تعمل على تنعيم التموجات التي تحدث عند تبديل المفتاح ، تاركة تيارًا ثابتًا فقط. تشغيل المفتاح وإيقافه بسرعة ، يمكننا زيادة الجهد على الحمل.

يعتمد جهد الخرج النهائي للدائرة على المدخلات والمحاثة ونسبة الوقت عندما يكون المفتاح في الوضع "المفتوح" إلى الوضع "المغلق" ، أي دورة العمل D (دورة العمل هي نسبة الوقت الذي يكون فيه الحمل أو الدائرة في في الوقت الذي تكون فيه خارج.).


سوف يميل جهد الخرج إلى اللانهاية في وقت قريب للغاية من دورة عمل الوحدة. من الناحية العملية ، يكون جهد الخرج هو نسبة المقاومة الطفيلية للملف R _L إلى الحمل R. إن الخسائر في القلب المغناطيسي (إن وجدت) ، والخسائر في الصمام الثنائي والخسائر في المكثف ، أقل تأثرًا بقليل. [1. 44-45 ص.]. حسنًا ، بالطبع ، مع دورة عمل = 1 ، سيتم تقصير الحث دائمًا إلى الأرض ولن يعمل شيء.


دعونا نقدر محولنا على الأصابع. دعني أذكرك بالمتطلبات: خرج 200V ، تيار 60mA.
عامل التعبئة:$$$D=1-Vin/Vout=1-9/200=0.955=95.5$٪
تحميل:$$$R=200/60=3.3K$،
الاعتماد من R إلى R _L :


عوضاً عن ذلك نحصل على R _L = -0.833. لذلك تحتاج إلى محاثة بمقاومة داخلية أقل من 0.8 أوم. هذا يبدو جيدا. يبقى حساب الحث نفسه وتياراته.

دعونا نحسب بالطريقة القديمة ، من دليل الكرات المطاطية TI [2].

الحث التقريبي:


حيث ΔI _L - متوسط ​​تموج التيار من خلال الحث:


هناك بعض K. ثابت

يقترح الدليل اختياره في النطاق من 0.2 إلى 0.4. سآخذ 0.2 ، بتردد 30 كيلو هرتز ، لذا أحصل على LI _L = 0.26A. نستبدل في الصيغة أعلاه ونحصل على الحث L = 1074 μH.

نوضح التيار من خلال الحث:


نحصل على 0.27A ، نتحقق من ذروة التيار من خلال المحول:


نحصل على 1.33A.
يبدو سهلا. مؤطر ، حصلت على القيمة. دعنا نتحقق باستخدام مصدر آخر - آلة حاسبة على الإنترنت [3]. نستبدل القيم الموجودة في اللوحة ، ونضبط تردد التبديل على نفسه - 30 كيلو هرتز:


لاحظ الثابت السحري 2 في صيغة الحث الأدنى.

المجموع الذي نحصل عليه:


كما ترون ، الفرق هو عدة مرات. التيار أقل مرتين ، في حالة الحساب بالأقلام ، يكون الحث عشرة أضعاف.

يمكن للمرء أن يتوقف عند هذا ، معلنا واحدة من النتائج بدعة. ولكن أيهما خطأ؟

من الواضح أن الحسابات تختلف بسبب المعامل K.

يعبر المعامل عن نسبة التموجات الحالية في الحث إلى تيار الإدخال للمحول بأكمله. يمكن التعبير عنه من خلال معامل K _rf .


وتؤثر هذه النسبة على وضع التشغيل للمحول بأكمله.

ما الاختلافات التي يسببها هذا المعامل بجانب التيارات وأحجام الحث؟

للإجابة على هذه الأسئلة ، سيكون عليك فهم تفاصيل تشغيل هذه الأوضاع.

هناك وضعان رئيسيان لتشغيل هذه المحولات: DCM و CCM.

CCM - وضع التوصيل المستمر. وضع تشغيل المحول ، حيث لا ينخفض ​​التيار في الحث إلى الصفر.


DCM - وضع التوصيل المتقطع. في كل دورة ، ينخفض ​​التيار خلال الحث إلى صفر.


يستخدم CCM في محولات الطاقة العالية من أجل تقليل التيارات من خلال المكونات. يوفر DCM ، بدوره ، تحريضًا أقل ويزيل فقدان انعكاس القطبية على الصمام الثنائي. اقرأ المزيد عن إيجابيات وسلبيات الأوضاع هنا .

وبالتالي ، فإن DCM ممكن فقط لـ K _rf > 2. إذا كان K = 2 ، فإن المحول يكون في BCM - وضع التوصيل الحدودي ، أي يتم تشغيل المفتاح في نفس اللحظة عندما ينخفض ​​التيار في الحث إلى صفر.

عندما ينخفض ​​الحمل R ، يتحول العاكس إلى وضع DCM. الحمل الذي يكون فيه العاكس في وضع BCM يسمى الحمل الحرج I _CRIT . تسمى قيمة الحث عند العمل في وضع BCM الحث الحرج L_CRIT وتحسب على أساس الحمل الأقصى.

من المعروف أنه بالنسبة لمحولات تعزيز CCM ، فإن أقصى تموج للتيار من خلال الحث هو 50 ٪ من نسبة الرسوم الرئيسية.



من أجل اختيار الحث لمحول CCM ، من الضروري تحديد القيمة القصوى لـ K _rf .

عادة ما يتم اختياره في النطاق من 0.2 إلى 0.4 ، ولكن من الواضح أنه يمكن أن يصل إلى 2. لقد قررنا أن الحد الأقصى _لـ ΔI _L يحدث عند D = 50٪ ، والآن نقوم بحساب عامل التشغيل للحد الأقصى لقيمة K _rf .


نتجاهل D = 1 ، لأنه مع دورة العمل هذه ، يكون تشغيل المحول مستحيلًا جسديًا ونحصل على K _rf كحد أقصى مع عامل واجب 33 ٪.


للتشغيل في وضع CCM، فمن الأفضل حساب قيمة الحد الأدنى الحث بالنسبة إلى مساهمة الجهد الأقرب إلى نقطة 2/3 V _من (V _{في (CCM)} ).


نأخذ المعامل K _rf = 0.2 ونحصل على L _min = 1074 ميكروغرام.
للحث الحرج ، K = 2 ، L = 107.4 μH. كل شيء هنا يتزامن مع الحسابات أعلاه.

الحمل الحرج ، فقط في حالة:


I _CRIT = 0.006A
كان هذا حسابًا لوضع CCM.

وبالتالي، فإن وضع DCM تكون مستقرة عند الحث أقل من L _CRIT ، مع تشغيل V _في وI التيار _خارج . بالنسبة لمحولات DCM ، يتم تحديد الحد الأدنى لوقت الخمول t _الخمول بطريقة توفر من 3 إلى 5٪ من وقت التبديل ، مثل وقت الخمول ، ولكن قد تكون أطول لضمان جهد مستقر ، حتى دورات التخطي. سيتم حساب القيمة القصوى للمحاثة L _max بناءً على هذا الوقت _الخامل . يجب أن يكون L _max أقل من L _CRIT ، وإلا فلن يكون وضع DCM ممكنًا.


لحساب L _max ، مع t _tle المحدد ، نجد الحد الأقصى للوقت المسموح به لتشغيل المفتاح. في حالتنا ، نأخذ t _خاملًا بنسبة 2 ٪ ، التردد هو 30 كيلو هرتز ، وبالتالي فإن الفترة = 0.000033 (3) s.
t _خامل = 0.000033 (3) -98٪ = 6.66 * 10 ^ -7 ج.


وهكذا نحصل على:


بدلا من ذلك ، نحصل على 103.187mkGn. قريب جدا من الحسابات السابقة. والنتيجة مختلفة ، لأن حساب الآلة الحاسبة يستخدم لأخذ وقت التوقف عن العمل بنسبة 0٪. يكرر

L _max الرسم البياني لـ _{Cr crit} ولديه أيضًا ذروة عند V _in = 2 / 3V _out . لضمان الحد الأدنى من وقت التوقف ، _يتم حساب L _max عند الجهد المقنن V _in .

عندما الانتاج الحالي أنا _من تحويل أقل من الحد الأقصى I _الحرجة (لV معين _في )، فإن تحويل تعمل في وضع DCM.


لا تنسى انني _انتقد لهذا الحث:


نحن نساوي الصفر ونبحث عن حدود جهد الدخل:



يوضح الجدول أن وضع CCM سيكون ثابتًا عند معلمات الإدخال التي تم تعيينها مسبقًا. لكن وضع DCM المحسوب قريب بما فيه الكفاية للنقاط الحرجة ، مما يسبب بعض عدم اليقين في عملية مستقرة أخرى.

إذن أي الوضع سيكون الأمثل في حالتنا؟

من الواضح أنه كلما انخفض التيار ، انخفضت متطلبات مكونات المحول ، ولكن الحث يصبح أكبر. B من محاثة lshaya أكثر تكلفة ويستهلك مساحة أكبر ، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة المحمولة والإنتاج الضخم. من ناحية أخرى ، يتطلب الحث الأصغر المزيد من المكونات الأخرى ، مما يؤدي إلى ب نسبيًا من خسائر lshim وانخفاض الكفاءة.

وبالتالي ، من الضروري إيجاد حل وسط لتطبيق معين ، واختيار المعامل K وتردد التحويل.

في حالتي ، هذا محول سطح مكتب تم تجميعه في نسخة واحدة ، لذلك سأختار وضع CCM للتشغيل ، لأن أبعاد المحول ليست حرجة ، وكلما كان التيار أصغر من خلال المكونات ، كلما قلت متطلباتها. صحيح أن تردد التحويل في حالتي سيكون أعلى قليلاً ، ولكن هذا هو موضوع مقال آخر.

استنتاج

هل تعطي الأدلة والآلات الحاسبة عبر الإنترنت النتائج الصحيحة؟ قطعا نعم. هل هذه النتائج هي الأفضل؟ على الاغلب لا.

وبالتالي ، من دون فهم مبادئ التشغيل لنظام معين واستخدام الدلائل والآلات الحاسبة دون تفكير ، من الممكن تمامًا جمع مخططات عمل أكثر أو أقل. ولكن إذا كانت المهمة يجب أن تتم اقتصاديًا ورخيصًا ، فلا غنى عن المعرفة الأساسية. الآن لديك هذه المعرفة. الحسابات المقدمة في المقالة كافية تمامًا ، ومع الوسائل الحديثة لحل المعادلات ، على سبيل المثال ، WolframAlpha ، من السهل جدًا حساب المعلمات الضرورية.

حظا سعيدا مع اختراعاتك!

ملاحظة

أعرب عن امتناني للدعم والمساعدة القيمة في كتابة المقال: رادشينكو إلى يوجين ، بوبروف فلاديسلاف ، كاربينكو ستانيسلاف.