Энергетическое управление в импульсных источниках питания

Гафуров Халимджон - к.ф.м.н., доцент кафедры, Автоматизированные
информационные системы , ТГУПБП, okahon@rambler.ru , 927772369
Гафуров Фаррухджон Халимджонович , инженер электронщик по телекоммуникации, ОАО Агроинвестбанк в Согдийской области 927795969
Импульсное управление электроэнергии
Потребители электрической энергии обычно подключаются к источнику
постоянного или переменного тока, а в последнее время чаще используют
импульсные источники питания. Использование источников импульсного
тока привели к некоторым непониманиям в оценке значения мощности
потребления со стороны нагрузки [1,2]. Оказалось, что расчет мощности
потребления в нагрузке , для случаев постоянного и переменного тока,
используются известные и хорошо проверенные формулы [3], чего нельзя
сказать для случая импульсных источников питания. Это обстоятельство,
прежде всего, связано с новизной использования импульсных источников
питания особенно в сфере энергосберегающих источников освещения к
которым, относятся светоизлучающие диоды. В связи с этим возникает
необходимость внесения ясности в расчете мощности потребления нагрузки
от импульсного источника питания. Это в свою очередь позволяет
определить
способ
управления
мощностью излучения,
однозначно
определяемая мощностью потребления нагрузки от источника питания.
Рассмотрим случай когда мгновенные значения напряжения и величины
тока в нагрузке, в зависимости
от времени,
имеют вид периодической
последовательности прямоугольных импульсов. Это обычный стационарный
случай питания нагрузки, в том числе и излучающего диода, от импульсного
источника питания.
Обычно средняя мощность
потребления
определяется в течении
длительного времени. Но, учитывая что имеет место стационарный случий,
расчёт средней мощности потребления достаточно вычислить за время
одного периода следования импульсов – Т, поскольку
амплитуда
и
длительность импульсов от периода к периоду остаются неизменными.
Поэтому за время одного
периода
следования
импульсов,
мгновенные значения тока и напряжение можно выразить следующим
образом
 I 0 ;0  t  t p
I (t )  
0; t p  t  T
U 0 ;0  t  t p
U (t )  
0; t p  t  T
(1)
Здесь Io , Uo – пиковые значения тока и напряжения, Т- период импульсов, tpдлительность импульсов напряжения и тока.
Количество работы, выполненная за бесконечно малое время, источником
тока определяется по формуле
dA  P (t ) dt
(2)
Для расчета выполненной работы за время одного периода следования
импульсов необходимо воспользоваться следующей формулой
T
A   P (t )dt
(3)
0
Используя соотношения (1) можно вычислить, что
A
T
T
tp
T
0
0
0
tp
 P(t )dt 
 U (t ) I (t )dt 
 U (t ) I (t )dt 
 U (t ) I (t)dt 
tp
 I 0 *U 0  dt  0 I 0 *U 0 * tp
0
Из последнего выражения следует что средняя мощность потребления в
нагрузке для импульсного источника питания определяется по формуле
Pa  I 0 *U 0 *
tp
1
 I 0 *U 0 *   I 0 *U 0 *
Ò
S
( 4)
В данной
коэффициент
формуле - коэффициент заполнения импульсов
пористости или скважность импульсов. Таким
средняя мощность, при
, а
S-
образом,
импульсном источнике питания, определяется
значением амплитуды напряжения,
тока
и обратно пропорциональна
скважности импульсов – S которое равно отношению периода следования –
Т к длительности импульсов - tp.
Следует
отметить
,
что
в
[1,2]
утверждалось
обратная
пропорциональность средней мощности к квадрату скважности импульсов
S2
и
существование возможности огромного сбережения
энергии при
использовании импульсных источников питания и что самое удивительное,
на основе этого, отрицалось закон сохранения энергии.
С целью опровержения этих обобщений и подтверждения полученного
выражения (4) были
проведены
практические
измерения. При этом
амплитудные величины напряжения, тока и периода импульсов -Io,Uo, Т,
были постоянными , а изменение скважности осуществлялось только за
счет изменения длительности импульсов - tи. Средние значения тока и
напряжения светодиода измерялись с помощью цифровых приборов.
Зависимость вольт – амперной характеристики приведена на Рисунке 1,
который имеет квадратичный
вид характерного для прямого включения
диода и р-п перехода. Это является хорошим подтверждением правильности
измерения средних значений тока и напряжения. Другим известным фактом
является прямая зависимость мощности излучения светодиода от значения
прямого тока протекающего в нем. Такая зависимость была получена при
измерении
зависимости
освещенности
создаваемого
светодиодом
на
расстоянии 10 см от величины прямого тока. Для измерения освещенности
использован стандартный измеритель марки LX1010B. График измеренной
зависимости для непрерывного источника питания приведен на рисунке 3. Из
приведенных данных видна хорошая линейная зависимость освещенности от
прямого тока через светодиод. Оценка мощности излучения светодиода
также осуществлялось с помощью упомянутого измерителя.
Рисунок 1. Вольт – амперная характеристика светоизлучающего диода.
Рисунок 2.Люкс – амперная характеристика светоизлучающего диода.
Рисунок 3. Зависимость относительной мощности излучения светодиода
от скважности импульсов.
В соответствии с формулой (4) относительная мощность поглощения
потребителя должна
уменьшаться обратно пропорционально величине
скважности - S. Хорошее качественное согласие были получены в
измерениях зависимости относительной мощности излучения светодиода от
скважности импульсов источника питания. Результаты измерений приведен
на Рисунке 3.
Таким образом полученные результаты показывают, что
мощность
излучения светодиода уменьшается обратно пропорционально значению
скважности импульсов источника питания – S. Следовательно для расчёта
средней мощности
потребляемой нагрузкой , которая непосредственно
определяет мощность
излучения
светодиода,
в
случае
импульсного
источника питания можно воспользоваться формулой (4).
Другим важным выводом из результатов, приведенных на рисунке 3
является то, что мощностью излучения светодиода , в определенных
пределах, можно осуществить за счет изменения скважности импульсов
источника питания. С практической точки зрения такая возможность легко
достигается модуляцией временных характеристик источника энергии. Это
имеет огромное значение при применении светодиодов для систем
оптической связи и создании различных световых эффектов в наружной
рекламе.
Литература
1. Канарёв Ф.М.Импульсная энергетика. Том II 15-го издания монографии
«Началафизхимии микромира», 2011.http://www.micro-world.su/ Папка
«Монографии».
2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 15-е издание.
2010г.http://www.micro-world.su/ Папка «Монографии».
3. Калашников С.Г. Электричество , М.: Физматлит, 2003, 624 с.