Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 ... 22

источники вторичного электропитания

К потребителям энергии переменного тока относятся цепи накала электронных ламп. Магнитные усилители, цепи сигнализации и блокировки, электродвигатели и другие электромеханические устройства автоматики. Значительная часть этих потребителей требует стабильных, по значению и частоте переменных напряжений, причем их частота может существенно отличаться от частоты напряжения в первичной сети. Последнее обусловлено необходимостью уменьшения массы и габаритов электромеханических устройств радиоэлектронных систем за счет значительного повышения частоты питающих напряжений переменного тока.

Для питания нагрузок переменного тока Zb в современных ЙВЭ радиоэлектронной аппаратуры широко применяют устройства с промежуточным' преобразованием переменного тока в постоянный с последующим его инвертированием (рис. 1-5).

Источник вторичного электропитания, схема которого приведена на рис. 1-5, а, состоит из нерегулируемого выпрямителя с фильтром и инвертора (однофазного, двухфазного или трехфазного) и является нестабилизированным: его выходное напряжение



изменяется пропорционально с изменением напряжения питания и сильно зависит от тока нагрузки.

Стабилизация выходного напряжения в' источниках .-питания данного вида осуществляется различными способами, некоторые из которых приведены на рис. 1-5.

На рис. 1-5,6 на вход инвертора включен регулируемый выпрямитель, который осуществляет стабилизацию выходного напряжения источника вторичного электропитания. На рис. 1-5, в для этой цели использован импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, включенный между выпрямителем и инвертором.

Стабилизацию выходного напряжения рассматриваемых ИВЭ можно осуществлять также с помощью вольтдобавочных устройств (рис. 1-5, г), выходное напряжение которых суммируется с напряжением входного выпрямителя таким образом, чтобы напряжение на входе инвертора оказывалось стабильным в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. В последнем случае удается значительно уменьшить массу и габариты сглаживающих фильтров, а в ряде случаев существенно улучшить массо-габаритные характеристики всего источника электропитания.

Функции преобразования постоянного тока в переменный и стабилизации выходного напряжения переменного тока можно совместить в регулируемом инверторе (рис. 1-5, д). На рис. 1-5, е к выходу нерегулируемого выпрямителя с фильтром подключены два инвертора, работающие синхронно (т. е. ,с одинаковой частотой) и с регулируемым сдвигом их выходных напряжений во времени. Синхронизацию ведомого инвертора и Стабилизацию выходного напряжения источника питания осуществляет фазосдвнгающее устройство, на вход которого поступает выходное напряжение источника питания. Последнее является результатом сложения выходных напряжений обоих инверторов: ведущего 1 и ведомого II.

Стабилизирующий ИВЭ, схема которого приведена на рис. 1-5, яж, состоит из двух цепей, одна из которых изображена на рис. 1-5, а, другая - на рис. 1-5,6. Оба инвертора работают син-хронно-синфазно (т; е; с одинаковой частотой и в фазе друг с другом). Выходные напряжения обоих инверторов суммируются и поступают в нагрузку. Стабилизация выходного напряжении данного ИВЭ осуществляется регулируемым выпрямителем на входе инвертора .

1-3. Источники вторичного электропитания,

использующие электроэнергию автономного источника по*гоянного тока

В современной технике широкое практическое распространение получили автономные первичные источники электрической энергии постоянного тока. К ним относятся аккумуляторные и солнечные батареи, термоэлистрические и термоэмиссионные преобразователи, топливные элементы, ядерные источники и т. п.

Использование таких источников электрической энергии позволяет выполнять радиоэлектронную аппаратуру переносной, устанавливать ее на различных подвижных автономных объектах, уда-



ленных от промышленных энергетических сетей. Бурное развитие этого направления в области питания радиоэлистронной аппаратуры вБВвано в первую очередь успехами в освоении космического пространства.

К основным специфическим требованиям, предъявляемым к ИВЭ рассматриваемого вида, относятся следующие.

1. Масса и габариты должны быть по возможности наименьшими, что обусловлено спецификой исполнения автономной радио-

электронной аппаратуры.

2. Коэффициент полезного действия таких ИВЭ должен быть по возможности максимальным, так как ухудшение экономичности и увеличение потребляемой мощности при ограниченной мощности автономного первичного источника электрической энергии приводят к резкому увеличению массы и габаритов последнего, а следовательно, к ухудшению эксплуатационных характеристик автономной радиоэлектронной аппаратуры.

3. Надежность ИВЭ должна быть максимальной. В условиях удаленности от промышленных центров, сложности (а подчас и невозможности) проведения ремоитио-профилактических и восстановительных работ это требование приобретает исключительно важное значение.

Характерной особевностью работы ИВЭ данного типа является большая относительная суммарная нестабильность напряжения первичного источника, которая достигает значения ±20-30%. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры могут существенно изменяться условия работы пер-Еичрюго источника, например степень освещенности поверхности солнечной батареи. К большой нестабильности питающего напря жения приводит также длительный разряд аккумуляторной батареи, имеющей ограниченную энергоемкость, или ее работа в режи-

мё периодического глубокого заряда-разряда.

В то же время современная малогабаритная автономная радиоэлектронная аппаратура, выполняемая, как правило, на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, предъявляет весьма Жесткие требования к стабильности питающих напряжений. В большинстве практических случаев допустимая относительная суммарная нестабильность ие должна превышать ±3-5%, а в ряде случаев -0,1-1,0%.

ОсБовным фун1Щион.альиым узлом ИВЭ, использующих электроэнергию автоиомного источника постоянного тока, является полупроводниковый инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока источника в переменные напряжения прямоугольной или ступенчатой формы и заданного значения. Силовой трансформатор такого инвертора обеспечивает электрическую изоляцию выходных цепей друг от друга и от первичного источника.

На рис. 1-6, а приведена функциональная схема простейшего одноканального ИВЭ данного типа, иредназначеиного для питания нагрузки постоянным током. Здесь переменное напряжение прямо-угс^ной формы с выхода инвертора И преобразуется выпрямителем В и фильтром Ф в. напряжение постоянного тока которое затем используется для питания радиоэлектронного устройства.

Основными недостатками такого ИВЭ являются низкая стабильность его выходного напряжения, которая оказывается худшей, чем стабильность папрял^ения первичного источника электрн--ческой энергии, а также одно-единственное номинальное выходное напряжение.



Для нормального функционирования современной .радиоэлектронной аппаратуры, как правило, требуется не одно, Э' несколько питающих напряжений различных величин и полярностей по отношению к корпусу устройства или общей шине системы вторичного электропитания. Поэтому силовой трансформатор инвертора дол-

-0 +

вы XI

Овыхг

Q-f

Овыхп

о-г--у

Ц I су

г) -L-

f>2

ф

ф

~ Овых1 -0 +

9

~°1

Q 0вь/х2

Рис. 1-6. функциональные схемы стабилнзпрующих преобразователей напряжения постоянного тока со стайилнзирующим устройством в цепи питания инвертора.

С - непрерывный стабилизатор; ЯС - импульсный стабилизатор; СУ -стабилизирующее устройство; РВ - регулируемый выпрямитель; И - инвертор; В - выпрямитель; Ф - сглаживающий фильтр; ОС - схема обратной связи.



жен иметь несколько вторичных обмоток, к которым подключаются выпрямители с фильтрами. Б сложных радиоэлектронных устройствах, выполненных иа полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах различных типов, число вторичных питающих напряжений достигает 5-10 и более при сравнительно малой мощности (единицы-десятки ватт) ИВЭ.

Б многоканальных ИВЭ принципиально могут быть использованы как способы централизованной стабилизации одновременно всех выходных напряжений, так и способы. индивидуальной стабилизации каждого выходного напряжения в отдельности. В первом случае удается обеспечить общую нестабильность всех выходных напряжений на уровне ±3-5%, во втором -0,5-1%.

Рассмотрим основные функциональные схемъ! многоканальных стабилизирующих ИВЭ с централизованной стабилизацией выходных напряжений и отметим их характерные особенности.

В схеме, изображенной на рис. 1-6,6, в цепь питания транзисторного инвертора включен непрерывный стабилизатор, достоинства которого заключаются в следующем: отсутствуют сглаживающие фильтры на входе .и выходе стабилизатора, а также радиопомехи; сравнительно прост и легко поддается микроминиатюризации; высокие динамические свойства обеспечивают хорошее качество переходного процесса при резких изменениях нагрузок и напряжения питания, а также высокую помехозащищенность радиоэлектронной аппаратуры от наводок по цепи питания.

Основной недостаток непрерывного стабилизатора - его сравнительно низкий к.п.д., минимальное значение которого ие превышает Г]с < 1/п. где п = /п.макс/п.мин>1.2 1.5-коэффициент, у1штывающий пределы изменения напряжения шатания.

Поэтому при п> 1.4--1,5 схема находит практическое применение лишь при небольшой выходной мощности ИВЭ (Рв<5-н10 Вт).

Значительно меньшими потерями мощности и более высоким К.П.Д. характеризуется импульсный стабилизатор, используемый в функциональной схеме, изображенной иа рис. 1-6, е. Преимущества последнего по сравнению с 11епрерывным стабилизатором возрастают при расширении пределов изменения напряжения питания.

Однако импульсные стабилизаторы также имеют ряд недостатков. Так, на входе и выходе таких устройств необходимо включать сглаживающие фильтры.. Входной фильтр Фвх. с одной стороны, защищает ИВЭ от помех, поступающих на его вход, а с другой - уменьшает помехи от самого стабилизатора по цепи его питания. Выходной фильтр Фо осуществляет сглаживание однополярных импульсов переменной длительности, поступающих с выхода стабилизатора.

Значительно худшие по сравнению с непрерывным стабилизатором динамические свойства импульсного стабилизатбра обусловливают появление сравнительно сильных изменений выходного напряжения такого стабилизатора в моменты коммутации его нагрузки.

В современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры схема, изображенная на рис. 1-6, е, используется при выходной мощности от 5-10 до 50-100 Вт и частоте преобразования от 2-5 до 20-., 50 кГц.- - .

Если в рассмотренных выше функциональных схемах (рис. 1-6, б, е) стабилизатор напряжения постоянного тока должен



выбираться исходя из полной мощности источника вторичного электропитании, то в схемах, изображенных на рис. 1--6, 5, ыходная мощность стабилизирующего устройства оказывается значительно меньшей. Здесь выходное напряжение стабилизирующего устройства суммируется на входе инвертора с напряжением питания таким образом, чтобы их сумма оставалась неизменной и равной п.макс Ри режимах и условиях эксплуатации.

В качестве стабилизируюш;его устройства в схеме иа рис. 1-6, г-используется регулируемый преобразователь постоянного тока, который обычно выполняется по схеме, изображенной на рис. 1-6, в или 1-7. В схеме на рис. 1-6,д роль стабилизирующего устройства выполняет регулируемый выпрямитель, на вход которого подается переменное напряжение с одного из выходов инвертора.

Ивых Г -О-

-0 +

Q Овыхг

-ОТ/ ивыхз

1

. Чвыхп

Рис. 1-7. Стабилизирующий источник питания с регулируемым нн-вертором.

В - выпрямитель; Ф - фильтр; С - непрерывный стабилизатор; ОС - схема обратной связи; РИ - регулируемый инвертор.

Существенно меньшая (по сравнению со схемами на рис. 1-6,6, в) мощность, преобразуемая стабилизирующим устройством, обусловливает значительное уменьшение сглаживающих фильтров на его входе и выходе и лучшие массо-габаритные характеристики ИВЭ в целом.

Рассмотренные функциональные схемы (рис. 1-6, г, ) получи-ли практическое применение в ИВЭ при выходной мощности, пре- вышающей 50-100 Вт. При меньшей мощности масса и габариты таких ИВЭ оказываются большими по сравнению с более простыми стабилизирующими ИВЭ, выполненными по схемам на рис. 1-6, б, в, в которых осуществляется меньшее число преобразований электрической энергии. Относительно схемы, изображенной на рис. 1-6, д, необходимо отметить, что по мере расширения пределов изменения питающего наприжения мощность стабилизирующего устройства будет возрастать. При этом резко увеличиваются масса и габариты стабилизирующего ИВЭ, а за счет резкого увеличения потерь мощности в стабилизирующем устройстве падает его к.п.д.

Таким образом, данная функциональная схема может быть эффективно использована в источниках вторичного электропитания только при условии, что напряжение питания изменяется в срав-



нптельно небольших пределах (менее ±10%); а к.п.д. инвертора и регулируемого выпримителя достаточно высоки.

Централизованную стабилизацию одновременно всех выходных напряжений в ИБЭ позволяет реализовать функциональная схема, изображенная на рис. 1-7. Здесь на вход выпрямителей В В2, ... ..,В„ подаются переменные напряжения с выходов регулируемого инвертора,* а стабилизация выходных напряжений ИВЭ осуществляется посредством изменения формы переменных напряжений. Сигнал управления подается со схемы, обратной связи, вход которой подключен к одному из выходов источника вторичного электропитания.

Совмещение функций преобразования напряжений и стабили-

-t- О-

И

PBf.

ОСр

НЭ

-f--о

Овыхг -о

и

И

т

П п.

(вых

Рис. 1-8. функциональные схемы стабилизирующих преобразователей напряжения постоянного тока с индивидуальной стабилизацией напряжения по каждой из выходных цепей.

Ф -- фильтр; И - инвертор; Р - регулятор иеремевного напряжения; РВ - регулируемый выпрямитель; В - верегулвруемый выпрямвтель; ОС - схема об-ратвой связи; С - вепрерыввый Стабвлвзатор.



зации их величии в одном функциональном рлементе - регулируемом инверторе позволяет упростить схему ИВЭ и повысить его к.п.д. за счет исключения промежуточных преобразований электрической энергии. Однако такая схема не свободна от недостатков. В ИВЭ, выполненных по данной схеме, значительную долю массы и объема занимают сглаживающие LC-фильтры, включенные в выходные цепи выпрямителей. Относительная доля этих фильтров в массе ИВЭ значительно возрастает при увеличении числа выходных цепей.

Сравнительно плохие динамические свойства сглаживающих фильтров LC-типа, приводящие к сильным изменениям выходных напряжений ИВЭ в моменты изменения величин соответствующих нагрузок, обусловливают необходимость включения в большинство выходных цепей ИВЭ непрерывных стабилизаторов с целью обеспечения приемлемого для радиоэлектронной аппаратуры качества питающих напряжений.

Таким образом, по мере уве.чичения числа выходных цепей ИВЭ и одновременного повышения требований к качеству вторичных питающих напряжений преимущества данной схемы перед ранее рассмотренными (см. рис. 1-6) уменьшаются. Такай схема оказывается наиболее эффектд1вной при сравнительно малом числе мощных выходных цепей (не более 2-3 шт.), когда нагрузка по каждой из них в процессе .работы ИВЭ остается неизменной.

Основным средством уменьшения массы и габаритов сглаживающих фильтров LC-типа в стабилизирующих ИВЭ с выходом на постоянном токе, выполненных по структурной схеме на рис. 1-7, а также улучшения их динамических свойств является повышение частоты преобразования в регулируемом инверторе до нескольких десятков килогерц.

Следует также отметить, что при реализации такой функциональной схемы (рис. 1-7) гармонический состав пульсаций выходных напряжений постоянного тока в процессе регулирования будет изменяться, что в некоторых практических случаях может оказаться нежелательным. Кроме того, для данной схемы характерно плохое использование силовых транзисторов в регулируемом инверторе по току и напряжению - они должны выбираться с уче-. том максимальных значений напряжения питания и потребляемого тока (соответствующего минимальному значению напряжения питания).

Индивидуальную стабилизацию каждого из выходных напря-. жений в отдельности позволяют реализовать в ИВЭ функциональные схемы, изображенные иа рис. 1-8.

В схеме на рис. 1-8, я в каждую выходную цепь транзисторного инвертора включен свой регулируемый выпрямитель со сглаживающим фильтром LC-типа н схемой управления. В схеме на рис. 1-8, б выпрямитель выполняется нерегулируемым, а роль стабилизирующего устройства играет маломощный стабилизатор переменного напряжения, выходное напряжение которого суммиру-. ется на входе выпрямителя с переменным напряжением, снимаемым с основного выхода транзисторного инвертора.

Сигнал обратной связи изменяет ширину импульсов на выходе регулятора таким образом, чтобы напряжение на выходе выпрямителя оставалось неизменным при всех режимах работы радиоэлектронной аппаратуры.

В отличие от-схемы на рис. 1-8, я, где регулируемый выпрямитель рассчитан на полную мощность нагрузки ИВЭ, выходная



мощность регулируемого выпрямителя в схеме на рис. 1-8, в оказывается значительно меньшей, что приводит к уменьшению массы и габаритов сглаживающего фильтра. К недостаткам последней схемы следует отнести ее большую слолиость во сравнению со схемой, изображенной на рис. 1-8, с.

Все функциональные схемы, позволяющие реализовать индивидуальную стабилизацию каждого выходного иапряжения ИВЭ в отдельности (рис. 1-8), при большом числе выходных цепей ИВЭ становятся неэффективными из-за значительного усложнения, увеличения массы и габаритов.

В этом случае, как было отмечено выше, целесообразно использовать фушщиональиые схемы стабилизирующих ИВЭ с централизованной стабилизацией, включая дополнительные, стабилизаторы лишь в те выходные цепи, в которых не удается обеспечить требуемую стабитьиость выходных напряжений.

В заключение данного параграфа отметим, что приведенные выше функциональные схемы (за исключением схемы на рис. 1-8, в) могут быть использованы для стабилизации- выходных напряжений переменного тока, подаваемых непосредственно с выхода силового инвертора. При этом, естественно, отпадает необходимость в использовании выходных выпрямителей и сглаживающих фильтров, а регулируемый выпрямитель в схеме иа ряс. 1-8, а должен быть заменен регулятором переменного иапряжения, рассчитанным на полный ток нагрузки.

В последующих главах настоящей книги будут кратко рассмотрены схемные различия и принципы действия основных функциональных узлов вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры и способы их ориентировочного расчета, доступнее широким массам читателей.

ГЛАВА ВТОРАЯ.

СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

2-1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды в источниках вторичного электропитания используются для преобразования переменного тока в по--стоянный; при этом диоды ведут себя как полупроводниковые неуправляемые ключи с односторонней проводимостью тока.

На рис. 2-1, а приведены вольт-амперные характеристики диодов, связывающие значения тока, протекающего через диод, и приложенного к нему напряжения. Ветвь OA на рис. 2-1, я соответствует прямому включению диода (рис. 2-1,6), ветвь ОБ - обратному (рис. 2-1, в).

Резко выраженная нелинейность приведенных характеристик иллюстрирует одностороннюю проводимость полупроводниковых диодов- прямые токи через диод, как правило, во много раз пре-вьшгают обратные.



к числу основных параметров, полупроводниковых диодов относятся: максимально допустимый средний выпрямленный ток вп ср.макс максимально допустимый постоянный прямой ток диода /пр.макс прямое напряжение дио,аа U p, измеренное на постоянном токе; максимально допустимое постоянное обратное напряжение Lpgpjjgf.; максимальное значение постоянного обратного тока днода /обр.мако соответствующее обр.макс максимальное значение частоты выпрямляемого напряжения

Важным параметром полупроводниковых диодов является также параметр, характеризующий качество переходных процессов их переключения прн смене полярности питающего напряжения и инерционные свойства реальных днодов. Для выяснения физической сущности этого параметра рассмотрим процессы переключения

т„р

; А

Uoffp

; Б

-1>-

А

lodp

+ 0-

Рис. 2-1. Статические вольт-амперные (о) характеристики диодов {1 - германиевого, 2 - кремниевого); схемы включения диода в случае прямой {б) н обратной (е) полярности питающего напряжения..

диода в схеме простейшего однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой (рис.- 2-2, о) при скачкообразном изменении питающего напряжения.

Пусть в момент времени /i на входе выпрямителя скачком установилось прямое напряжение питания f/ п. В силу инерционности диффузионного движения носителей заряда в диоде ток через него начинает нарастать не мгновенно, а спустя некоторое время - время задержки протекания тока (рнс. 2-2,6). В течение времени задержки к диоду приложено полное напряжение, а рабочая точка на динамической вольт-амперной характеристике (рис. 2-2, е) перемещается из точки О в точку 1. По мере нарастания тока через диод напряжение на нем уменьшается н рабочая точка на динамической характеристике перемещается нз точки 1 в точку 2. Точка 2 на рнс. 2-2, в характеризует открытое состояние диода: через диод протекает ток нагрузки / р = /н ~ U /Rh, а прямое напряжение на нем равно Unp. Диод пропускает ток прямой поляр-



1 2 3 4 ... 22
Яндекс.Метрика