Меню

Что такое кпд в преобразователе тока

КПД преобразователя частоты

КПД преобразователя частоты модернизация дешевых преобразователей

КПД преобразователя частоты-0

КПД преобразователя частоты — в качестве выходных ключей микросхем слаботочных импульсных регуляторов часто используются транзисторы Дарлингтона. В случае применения такой микросхемы КПД преобразования энергии можно улучшить с помощью всего двух недорогих компонентов.

КПД преобразователя частоты-1

Чтобы это было возможно, микросхема должна иметь отдельный вывод коллектора драйвера Q1 (Рисунок 1). При включении схемы диод D1 создает путь для коллекторного тока Q1. Затем D1 и С1 образуют вольто-добавочный выпрямитель, который увеличивает напряжение коллектора и ток Q1, уменьшая, таким образом, падение напряжения на замкнутом ключе Q2.
Еще одним преимуществом этой схемы является возможность работать с более низкими входными напряжениями, что обеспечивается повышенным напряжением на коллекторе драйвера. Емкость конденсатора С1 зависит от частоты переключения. Типичными являются значения от 47 нФ до 150 нФ.

КПД преобразователя частоты-2

Для исключения глубокого насыщения Q2 или для ограничения коллекторного тока Q1 (в зависимости от входного напряжения и параметров G1), может потребоваться резистор R1. Во многих случаях этот резистор можно не устанавливать (то есть, R1 = ∞). Пример реализации описанной концепции на популярных микросхемах МС33063/ МС34063 показан на Рисунке 2.

При входном напряжении VIN = 12 В и сопротивлении нагрузки 24 В КПД этой схемы составляет 85%, а минимальное входное напряжение равно 7.5 В. При тех же условиях стандартная схема без элементов С1, D1 и с соединенными выводами 1 и 8 имеет КПД 78% и минимальное входное напряжение 8.2 В. Этот подход применим и для случая инвертирующей конфигурации преобразователя.

Источник

AEE — новая технология повышения КПД понижающих преобразователей при малых выходных напряжениях

Texas Instruments TPS62180 TPS62182

Новый метод преобразования энергии, получивший название автоматическое повышение КПД (automatic efficiency enhancement – AEE), при низких выходных напряжениях увеличивает эффективность источников питания в таких устройствах, как планшеты, серверы и твердотельные накопители.

Проблема, с которой сталкиваются все разработчики источников питания, связана со сложностью получения высокого КПД понижающих преобразователей при низких выходных напряжениях. К примеру, при выходном напряжении 3.3 В и максимальном токе нагрузки источник питания может иметь КПД, равный 91%, в то время как при 1.8 В – лишь 84%. Такое снижение КПД становится причиной повышения рабочих температур. А для портативных систем это приводит еще и к перерасходу энергии батареи. Очевидно, что рост рабочих температур или сокращение срока службы батареи крайне нежелательны для пользователей планшетов, серверов или твердотельных накопителей, в которых содержатся такие источники питания.

Для того, чтобы поддерживать высокую эффективность независимо от выходного напряжения, нужен новый способ преобразования энергии. Один из таких методов – AEE (automatic efficiency enhancement – автоматическое повышение КПД) – в подобных системах способен обеспечить более высокий КПД при низких выходных напряжениях.

Почему падает КПД?

Падение КПД напрямую связано с уменьшением количества выходной мощности, не сопровождающимся пропорциональным снижением потерь. Потери в понижающем преобразователе делятся на потери переключения и потери проводимости. Потери переключения зависят преимущественно от входного напряжения, выходного тока и рабочей частоты. Потери проводимости в основном определяются выходным током и сопротивлением MOSFET. Из-за малого вклада выходного напряжения в общий баланс потерь потери не уменьшаются в той же степени, в какой падает выходная мощность.

При снижении напряжения выхода уменьшается выходная мощность, равная произведению тока нагрузки на выходное напряжение. Ввиду того, что КПД определяется как выходная мощность, деленная на сумму выходной мощности и потерь, уменьшение выходной мощности при неизменных потерях приводит к снижению КПД.

Например, источник питания с выходным напряжением 3.3 В и током нагрузки 6 А при потерях 2 Вт имеет КПД 91%. Если же на выходе того же источника установить напряжение 1.8 В, потери останутся примерно на прежнем уровне 2 Вт. В результате из-за уменьшения выходной мощности КПД снизится до 84%. А при выходном напряжении 0.9 В и тех же потерях 2 Вт КПД составит лишь 73%. В связи с тем, что в приведенном сравнении частота переключения, сопротивления MOSFET, выходной ток и входное напряжение оставались постоянными, в первом приближении можно считать, что потери также не менялись, и КПД упал на 7% и 18%, соответственно.

Читайте также:  Физический смысл сопротивления постоянного тока

Два способа увеличения КПД

Значения входного напряжения и выходного тока определяются заданными характеристиками системы и нагрузки и не могут быть изменены. Чтобы повысить КПД своего устройства при пониженных входных напряжениях, разработчикам источников питания остается либо снижать частоту переключения, либо подбирать MOSFET с более низкими сопротивлениями открытого канала.

Возможности изменить значения сопротивлений MOSFET разработчики не имеют, поскольку в современных понижающих преобразователях MOSFET как верхнего, так и нижнего плеча интегрированы в микросхему. Хотя, в принципе, возможно использование несколько микросхем понижающих преобразователей, каждая из которых оптимизирована для определенного выходного напряжения, это очень непрактично с точки зрения конструкции микросхем. Поэтому таких приборов на рынке практически нет. Кроме того, подобный подход привел бы к расширению номенклатуры используемых ИС, что сделало бы конструкцию системы более сложной, а стоимость более высокой.

Снижение рабочей частоты уменьшает потери переключения и улучшает КПД. Во многих интегральных понижающих преобразователях предусмотрена возможность регулировки частоты. Однако изменение частоты переключения обычно влечет за собой необходимость перерасчета выходного фильтра и цепи частотной коррекции петли обратной связи. Это увеличивает сложность и время разработки и, с большой вероятностью, требует использования индивидуального набора компонентов для каждого выходного напряжения в системе. И, опять же, это приводит к росту затрат на комплектующие.

Интеллектуальная подстройка частоты переключения с помощью AEE

Без какого-либо вмешательства разработчика AEE подстраивает частоту переключения таким образом, чтобы поддерживать высокий КПД при постоянных параметрах выходного фильтра и петли обратной связи. Частота переключения автоматически изменяется в соответствии с измеренными значениями входного и выходного напряжений, что позволяет максимизировать КПД без потери устойчивости контура управления и эффективности выходного фильтра. При этом не требуется устанавливать частоту в определенную рабочую точку, оптимизированную для конкретных режимов схемы – частота сама динамически подстраивает себя в процессе работы. На Рисунке 1 показаны зависимости частоты переключения от напряжения на входе, изменяющегося в диапазоне от 6 до 15 В, при выходных напряжениях 3.3, 1.8 и 0.9 В и токе нагрузки 6 А.

Рисунок 1. В двухфазном понижающем преобразователе TPS62180 для
адаптации частоты переключения под входное и выходное
напряжения используется AEE.

При снижении выходных напряжений частота переключения уменьшается, чтобы поддерживать соответствующее количество импульсов тока в индуктивности. В наиболее распространенных микросхемах понижающих преобразователей с ограничением пикового тока доступный выходной ток микросхемы определяется пиковым током катушки индуктивности.

Если уровень ограничения тока зафиксирован внутри микросхемы, пиковый ток индуктивности при максимальном выходном токе должен оставаться ниже этого порогового уровня. Поскольку пиковый ток индуктивности равен выходному току плюс половине импульсного тока индуктивности, импульсный ток должен поддерживаться на достаточно низком уровне. В противном случае ограничение тока наступает слишком рано, и микросхема не может отдавать требуемый выходной ток.

При снижении выходных напряжений импульсный ток индуктивности уже уменьшен до значения, определяемого Уравнением 1

VOUT – выходное напряжение,
VIN – входное напряжение,
L – индуктивность катушки,
FSW – частота переключения.

Вследствие этого сокращения частота переключения также уменьшается с понижением выходных напряжений, увеличивая импульсный ток и возвращая его к разрешенному уровню. На Рисунке 2 представлены зависимости пульсаций тока от входного напряжения, рассчитанные на основании частотных зависимостей из Рисунка 1 и Уравнения 1.

В заданной рабочей точке ток пульсаций практически не зависит от выходного напряжения. AEE обеспечивает это снижением частоты по мере уменьшения выходных напряжений. Такое снижение сужает разрыв в КПД, возникающий при уменьшении выходного напряжения. Рисунок 3 иллюстрирует влияние AEE на КПД преобразователя.

Рисунок 3. Благодаря функции AEE КПД двухфазного понижающего
преобразователя в меньшей степени зависит
от снижения выходных напряжений.

Из-за того, что частота снижается вслед за выходным напряжением, уменьшаются потери переключения, а это, в свою очередь, сокращает и общие потери. Соответственно, увеличивается КПД – в отличие от большинства топологий преобразователей энергии, в которых для любых выходных напряжений поддерживается постоянная рабочая частота.

Заключение

В таких понижающих DC/DC преобразователях, как TPS62180, при низких выходных напряжениях AEE обеспечивает более высокий КПД, чем понижающие преобразователи с фиксированной рабочей частотой. Благодаря AEE высокий КПД, равный 91% при выходном напряжении 3.3 В, остается высоким и при более низких напряжениях: 87.5% при выходном напряжении 1.8 В и 82% – при 0.9 В. Эти цифры означают, что по сравнению с фиксированной частотой преобразования выигрыш составил 3.5% и 9%, соответственно. Столь значительное улучшение эффективности имеет большое значение и для портативных устройств, таких как планшетные компьютеры, и для устройств, особо чувствительных к температуре, например, для серверов и твердотельных накопителей.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник



Коэффициент полезного действия преобразователей

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение полезной мощности к мощности активной, потребляемой из сети:

где — потери мощности в преобразователе.

При работе преобразователя на якорь двигателя постоянного тока полезная мощность, Вт:

Потери мощности в вентилях определяются выражением, Вт:

где классификационное падение напряжения на вентиле.

КПД только тиристорного преобразователя, %:

КПД системы преобразователь — двигатель, %:

где потери собственных нужд, обусловленные расходом энергии на принудительное охлаждение тиристоров, освещение и вентиляцию (до 2 кВт); потери холостого хода трансформатора, Вт.

Потерями мощности собственных нужд в тиристорных преобразователях с естественным охлаждением вентилей можно пренебречь. Если пренебречь постоянными составляющими потерь в трансформаторах и двигателе и учесть, что числитель в выражении для КПД системы П-Д пропорционален угловой скорости, можно записать:

где частота вращения двигателя в относительных единицах;

частота вращения двигателя на холостом ходу и нагрузке соответственно, рад/с.

Значения КПД системы ТП-Д зависит как от нагрузки на валу двигателя, так и от скорости при регулировании. В случае постоянного момента на валу со снижением скорости будет иметь место уменьшение КПД.

Рисунок 7- Зависимость КПД системы ТП-Д от частоты вращения при номинальной нагрузке на валу.

Еще статьи

Понятие и типы микропроцессорных устройств
Замечательным свойством микропроцессорных устройств является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров .

Источник

КПД источника тока

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае – заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

  1. КПД электрической цепи
  2. Что такое КПД источника тока
  3. Исследование мощности и КПД источника тока
  4. Задачи на мощность тока и КПД
Читайте также:  Электрический ток в ионизированном газе

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется джоуль (Дж).

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД – коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А – работа выполненная потребителем, Q – энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

  • Полезная работа – Аполез = qU = IUt = I2Rt.
  • Полная работа – Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

  • Полезная мощность – Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
  • Полная мощность – Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

  • η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Источник