Дипломная работа: Импульсный усилитель кольцевого коммутационного поля цифровой АТС

Схема, приведенная на рис.2.1, состоит из следующих обязательных элементов:

силового ключа Кл, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (обычно роль ключа выполняет мощный биполярный или полевой транзистор);

разрядного диода VD;

низкочастотного сглаживающего фильтра LС;

схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения или тока.

Другое известное название чопперной схемы - импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа. Как видно из рис.2.1, ключевой элемент Кл и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой Rн. Рабочий цикл чоппера состоит, как показано на рис.2.2, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.

Рисунок 2.2 - Фазы работы чопперного стабилизатора

Фаза 1 - накачки энергии.

Эта фаза протекает на протяжении времени tи. Ключевой элемент замкнут и проводит ток Ін, который течет от источника питания Uп к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С. Работа элементов в этой фазе показана на рис.2.3

Рисунок 2.3 - Фаза накачки энергии

Фаза 2 - разряд.

Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи (обрыв, замыкание на нагрузку с другим значением сопротивления) всегда стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому, когда по окончании фазы 1 происходит размыкание ключа Кл, ток Ін, поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден замыкаться через разрядный диод VD. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи "диод-нагрузка", как показано на рис.2.4

Рисунок 2.4 - Фаза разряда на нагрузку

Отсюда и идет название диода - "разрядный". Через некоторый промежуток времени tп ключ вновь замыкается и процесс повторяется.

Рабочая частота стабилизатора задается схемой управления и определяется

(2.1)

где Т - рабочая частота схемы управления.

Введем новое понятие, которое очень поможет нам при дальнейшем анализе схемы. Итак, отношение длительности открытого состояния ключа, при котором происходит накачка энергии, к периоду коммутации называется коэффициентом заполнения

(2.2)

где f - рабочая частота схемы управления.

Управляя длительностью открытого состояния ключа tи возможно регулировать величину напряжения, питающего нагрузку. Любой однополярный сигнал (как частный случай несимметричного двухполярного сигнала) имеет замечательное свойство - наличие в его спектре постоянной составляющей, которую можно выделить, пропустив этот сигнал через низкочастотный фильтр. На сегодняшний день известно великое множество фильтров разного качества и сложности. В нашем случае мы используем классическую Г-образную схему LC фильтра.

Операция выделения постоянной составляющей эквивалентна определению среднего значения сигнала. Напряжение на входе фильтра имеет импульсный характер и при фильтрации постоянной составляющей происходит усреднение сигнала. Математически операция сглаживания выглядит следующим образом

(2.3)

где i (t) - мгновенное значение тока в нагрузке.

Подынтегральное выражение - это мгновенное значение напряжения на нагрузке, которое вычисляется для каждого момента времени внутри периода, а затем, после сложения, усредняется по времени периода. Сглаживающие фильтры проектируются так, чтобы на их выходе остаточные пульсации были как можно меньше и приближали выходной сигнал к идеалу. Вычислим среднее значение напряжения на нагрузке чоппера, учитывая, что ток i (t) обладает постоянством во времени:

i (t) = - постоянный максимальный ток в нагрузке, который протекает, когда ключ замкнут на длительное время, то есть схема управления не работает.