Değişim hücresi - Commutation cell

komütasyon hücresi temel yapıdır güç elektroniği. İki elektronik anahtardan oluşur (bugün yüksek güç yarı iletken, mekanik bir anahtar değil). Geleneksel olarak bir helikopter ama o zamandan beri güç kaynaklarını değiştirme güç dönüşümünün önemli bir biçimi haline geldi, bu yeni terim daha popüler hale geldi.

Komütasyon hücresinin amacı, DC gücünü "kesmektir". kare dalgası alternatif akım. Bu, bir bobin ve bir kapasitör bir içinde kullanılabilir LC devresi voltajı değiştirmek için. Bu teorik olarak kayıpsız bir süreçtir ve pratikte rutin olarak% 80-90'ın üzerinde verimlilik elde edilir. Çıktı daha sonra genellikle bir filtre temiz DC güç üretmek için. Açma ve kapama zamanlarını kontrol ederek ( görev döngüsü ) komutasyon hücresindeki anahtarın), çıkış voltajı olabilir düzenlenmiş.

Bu temel ilke, en modern güç kaynaklarının temelini oluşturur. DC-DC dönüştürücüler taşınabilir cihazlarda büyük anahtarlama istasyonlarına yüksek voltaj DC güç iletimi.

İki güç elemanının bağlantısı

Şekil 1: İmkansız olan farklı konfigürasyonlar: bir gerilim kaynağının kısa devresi, açık devrede akım kaynağı, paralel iki gerilim kaynağı, seri halinde iki akım kaynağı. Bu devrelerden herhangi biri büyük miktarlarda ısı oluşumunun başarısız olmasına neden olacaktır!

Şekil 2: Gerilim ve akım kaynaklarında olduğu gibi, bir kapasitörden diğerine veya bir indüktörden diğerine doğrudan enerji aktarımından kaçınılmalıdır çünkü bu önemli kayıplara neden olur.

Bir Komütasyon hücresi, gücü üretebilmelerine veya emmelerine rağmen, genellikle kaynak olarak adlandırılan iki güç unsurunu birbirine bağlar.

Güç kaynaklarını bağlamak için bazı gereksinimler mevcuttur. İmkansız konfigürasyonlar şekil 1'de listelenmiştir. Bunlar temelde:

kısa devre, kaynak tarafından üretilen voltajla çelişen sıfır voltaj uygulayacağından bir voltaj kaynağı kısaltılamaz;
aynı şekilde, bir akım kaynağı açık bir devreye yerleştirilemez;
iki (veya daha fazla) voltaj kaynağı paralel olarak bağlanamaz, çünkü her biri devreye voltaj yüklemeye çalışır;
iki (veya daha fazla) akım kaynağı seri olarak bağlanamaz, çünkü bunların her biri döngüdeki akımı empoze etmeye çalışacaktır.

Bu, klasik kaynaklar için (pil, jeneratör), aynı zamanda kapasitörler ve indüktörler için de geçerlidir: Küçük bir zaman ölçeğinde, bir kapasitör bir voltaj kaynağı ile aynıdır ve bir akım kaynağı için bir indüktördür. Bu nedenle, farklı voltaj düzeyine sahip iki kapasitörün paralel olarak bağlanması, Şekil 1'deki yasak bağlantılardan biri olan iki voltaj kaynağının bağlanmasına karşılık gelir.

Şekil 2, bu tür bir bağlantının yetersiz verimliliğini göstermektedir. Bir kondansatör bir V voltajına yüklenir ve aynı kapasiteye sahip ancak boşalmış bir kondansatöre bağlanır.

Bağlantıdan önce devredeki enerji ${displaystyle E = {frac {1} {2}} Ccdot V ^ {2}}$ ve Q yüklerinin miktarı eşittir ${displaystyle Ccdot U}$ , U potansiyel enerjidir.

Bağlantı yapıldıktan sonra, yüklerin miktarı sabittir ve toplam kapasitans ${displaystyle 2C}$ . Bu nedenle, kapasitanslar arasındaki voltaj ${displaystyle {frac {Q} {2C}} = {frac {V} {2}}}$ . Devredeki enerji o zaman ${displaystyle {frac {1} {2}} (2C) sol ({frac {V} {2}} ight) ^ {2} = {frac {E} {2}}}$ . Bu nedenle bağlantı sırasında enerjinin yarısı harcanmıştır.

Aynısı, iki endüktans serisindeki bağlantılar için de geçerlidir. Manyetik akı ( ${displaystyle Phi = Lcdot I}$ ) komutasyondan önce ve sonra sabit kalır. Komutasyondan sonraki toplam endüktans 2L olduğundan, akım ${displaystyle {frac {I} {2}}}$ (bkz. şekil 2). Değişimden önceki enerji ${displaystyle {frac {1} {2}} Lcdot I ^ {2}}$ . Sonra ${displaystyle {frac {1} {2}} Lcdot sol ({frac {I} {2}} ight) ^ {2}}$ . Burada yine, enerjinin yarısı komütasyon sırasında dağıtılır.

Sonuç olarak, bir komütasyon hücresinin yalnızca bir voltaj kaynağını bir akım kaynağına bağlayabileceği (ve tersi) görülebilir. Bununla birlikte, indüktörler ve kapasitörler kullanılarak, bir kaynağın davranışını dönüştürmek mümkündür: örneğin, enerji aktarmak için bir indüktör kullanıyorsa, bir dönüştürücü aracılığıyla iki voltaj kaynağı bağlanabilir.

Bir komütasyon hücresinin yapısı

Şekil 3: Bir komütasyon hücresi, farklı yapıdaki iki kaynağı (akım ve voltaj kaynakları) birbirine bağlar. Teorik olarak iki anahtar kullanır, ancak her ikisine de mükemmel bir senkronizasyonla kumanda edilmesi gerektiğinden, pratik uygulamalarda anahtarlardan birinin yerini bir diyot alır. Bu, komütasyon hücresini tek yönlü hale getirir. İki yönlü bir komutasyon hücresi, iki tek yönlü olanın paralelleştirilmesiyle elde edilebilir.

Yukarıda anlatıldığı gibi, bir voltaj kaynağı ile bir akım kaynağı arasına bir komütasyon hücresi yerleştirilmelidir. Hücrenin durumuna bağlı olarak, her iki kaynak da bağlıdır veya izole edilmiştir. İzole edildiğinde, açık devrede bir akımın oluşturulması imkansız olduğundan akım kaynağı kısa devre edilmelidir. Bu nedenle, bir komütasyon hücresinin temel şeması şekil 3'te (üstte) verilmiştir. Karşıt durumlara sahip iki anahtar kullanır: Şekil 3'te gösterilen konfigürasyonda, her iki kaynak da yalıtılmıştır ve mevcut kaynak kısaltılmıştır. Üstteki düğme açıldığında (ve alttaki düğme kapalı olduğunda), her iki kaynak da bağlanır.

Gerçekte, anahtarlar arasında mükemmel bir senkronizasyon olması imkansızdır. Değişim sırasında bir noktada, ya açık (dolayısıyla voltaj kaynağını kısa devre yapar) ya da kapalı (böylece akım kaynağını açık devrede bırakır). Bu nedenle, anahtarlardan birinin bir diyotla değiştirilmesi gerekir. Bir diyot, doğal bir komutasyon cihazıdır, yani durumu devrenin kendisi tarafından kontrol edilir. Tam olması gerektiği anda açılacak veya kapanacaktır. Bir komütasyon hücresinde bir diyot kullanmanın sonucu, onu tek yönlü hale getirmesidir (bkz. Şekil 3). Çift yönlü bir hücre oluşturulabilir, ancak temelde paralel olarak bağlanmış iki tek yönlü hücreye eşdeğerdir.

Dönüştürücülerdeki komütasyon hücresi

Şekil 4: Komütasyon hücresi, her anahtarlamalı güç kaynağında mevcuttur

Komutasyon hücresi herhangi bir güç elektroniği dönüştürücü. Bazı örnekler şekil 4'te verilmiştir. Görüldüğü gibi, bir "akım kaynağı" (aslında bir endüktans içeren bir döngü) her zaman orta nokta ile komütasyon hücresinin harici bağlantılarından biri arasına bağlanırken, bir voltaj kaynağı ( veya bir kapasitör veya gerilim kaynağı ve kapasitör serisindeki bir bağlantı) her zaman iki harici bağlantıya bağlanır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

Dört Boostbuck Topolojisi