Лекция 1

Лекция 1

Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 1. По типу питающей цепи: 1.1 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока;

Параметры сети питания электроэнергией.

1. Номинальное значение питающего напряжения U. 2. Относительная нестабильность питающего напряжения, характеризующая…

Параметры источников вторичного электропитания.

2. Нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации. 3. Максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных… полной мощности (в вольт-амперах) S = U / Z (где U – действующее значение напряжения на нагрузке, Z- модуль полного…

Линейные и импульсные источники вторичного электропитания.

В линейных ИП (рис.1) переменное напряжение сети преобразуется трансформатором (Т), выпрямителем (В) выпрямляется, подвергается фильтром низкой…  

Сравнение импульсных и линейных ИП.

Импульсные ИП находят широкое применение главным образом благодаря их значительно большой удельной мощности и большой эффективности. Важным…

Элементная база ИП.

1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы); 2) полупроводниковые диоды, стабилитроны, тиристоры и транзисторы; 3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные);

Обобщенная структурная схема линейного источника питания

Обобщенная структурная схема линейного источника питания представлена на рис. 3.

 

 

Рис.3. Обобщенная структурная схема линейного источника питания

Пр- предохранители; ГПП- гаситель переходных процессов;

Ф- фильтры; С- стабилизаторы; СТ- силовой трансформатор;

БВ- блок выпрямления; Н-нагрузка.

 

Основными элементами устройства являются: силовой трансформатор, блок выпрямления, фильтр низкой частоты Ф2 и стабилизатор постоянного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают характеристики ИП и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы вышеприведенной структуры.

Гаситель переходных процессов.ГПП - это устройство, которое проводит ток, как только напряжение на его выходах превосходит определенный предел (действует как двухсторонний высоковольтный стабилитрон). ГПП компактны, дешевы и способны гасить опасные импульсы тока в десятки и сотни ампер. Например ГПП фирмы Siemens S07K130 и S20K130 рассчитаны на пиковый ток 500 и 4000 А соответственно и переходят в проводящее состояние в случае, если действующее значение напряжения на их выводах превышает 130 В.

Фильтры.В качестве фильтра Ф1 используется простой линейный LC-фильтр. Часто в ИП фильтр Ф1 препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях ИП. Фильтр Ф1 и ГПП довольно успешно противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока. Практика показывает, что в сетях 115 и 270 В 400 Гц возможны кратко временные выбросы напряжения до 1 – 5 кВ. Типовая схема фильтра Ф1 показана на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Линейный сетевой фильтр фирмы Corcom.

 

Сетевые фильтры Ф1 рассчитываются на токи величиной несколько ампер и подавление помех порядка десятков децибел. Фильтр 3EDSC2-2 фирмы Corcom подавляет помехи на 30–40 дБ и через него может проходить ток величиной до 3А. Фильтр 200JM6-2 фирмы Sprague рассчитан на ток до 6А, но подавляет помехи хуже (12–25 дБ).

Фильтр низкой частоты Ф2 предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Обычно это самый простой RC- фильтр с частотой среза порядка единиц герц. Чем ниже частота среза, тем эффективнее фильтр.

Стабилизаторы.Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных ИП используется редко. Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми простыми устройствами являются параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах).

Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. Как уже отмечалось, в качестве таких стабилизаторов часто используются интегральные схемы с очень хорошими параметрами.

Силовой трансформатор.В большинстве ИП используют один или несколько силовых трансформаторов (СТ). Силовой трансформатор в ИП решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой.

Бестрансформаторные источники питания ставят схему под высокое напряжение по отношению к корпусу самолета. Это создает потенциальную опасность, главным образом, для человека, эксплуатирующего такие ИП. При проектировании ИП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Российской промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания:

1) анодные (ТА) и накальные (ТН);

2) анодно- накальные (ТАН);

3) для питания устройств на полупроводниковых (ТПП)

4) силовые (ТС).

Можно приобрести готовые трансформаторы и зарубежных фирм, например, Signal Transformer Company.

При выборе СТ необходимо учитывать следующие основные моменты:

1) мощность СТ должна быть не менее мощности, потребляемой нагрузкой (необходимо предусмотреть некоторый запас),

2) напряжение первичной обмотки (с учетом подключения ее выводов) должно соответствовать напряжению питающей сети,

3) в стабилизированных ИП напряжение вторичной обмотки должно быть таким, чтобы на входе стабилизатора С2 минимальное значение постоянного напряжения превышало значение выходного напряжения (минимум на 3¸5 В). Это связано с тем, что, во-первых, на линейном стабилизаторе должно быть падение напряжения 0,6¸3 В, во-вторых, возможны периодические «просадки» напряжения питающей сети. В тоже время запас по напряжению не должен быть большим, так как в этом случае уменьшается КПД источника питания за счет увеличения бесполезно рассеиваемой мощности линейным СТ;

4) при необходимости регулирования выходного напряжения можно использовать СТ с несколькими вторичными обмотками (рис. 5).

Рис. 5

 

Как следует из структурной схемы, на вход блока выпрямления БВ подается дискретно изменяемое напряжение вторичной обмотки. Переключение напряжения производится коммутатором (К), который может управляться как вручную, так и сигналами, формируемыми специальной схемой управления (СУ) в зависимости от требуемого уровня выходного напряжения.

Блок выпрямления.В качестве выпрямителей используются вентили (устройства), пропускающие ток в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды.

Предохранители (Пр).Прзащищают ИП и подключенную к нему нагрузку от сильных токов, появление которых возможно при выходе из строя как самого ИП, так и нагрузки. В качестве Пр используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые).

Одной из самых распространенных неисправностей ИП является пробой конденсатора фильтра Ф2. При этом ток в первичной обмотке трансформатора может достичь нескольких ампер (вместо 0,1 – 0,5 А в нормальном режиме). При этом СТ, включенный в сеть переменного тока 115 В, будут рассеивать мощность соизмеримую с мощностью среднего электронагревателя.

Наибольшее распространение в качестве предохранителей получили плавкие вставки. Целесообразно выбирать предохранитель на ток, превышающий номинальный примерно на 50%. Это связано, во-первых, с периодически возникающими бросками токов переходных процессов при включении (заряд конденсатора фильтра Ф2), во вторых с «усталостью» предохранителя.

Нагрузка.В состав ИП не входит. Однако определяет большинство требований, предъявляемых к нему, и в первую очередь:

- выходное (-ые) напряжение (напряжения);

- выходной (-ые) ток (токи);

- стабильность и пульсации выходного (-ых) напряжения (напряжений);

- вид защиты выхода источника питания.

Выпрямители – это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается однонаправленное протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения используется фильтр. Для регулирования и (или) стабилизации выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают регулятор или стабилизатор.

Структурная схема выпрямителя без регулировки выходного напряжения приведена на рис. 6. Такие выпрямители используются:

- для питания электронных устройств некритичных к колебаниям питающего напряжения и уровню пульсаций;

- как функциональные силовые узлы стабилизированных источников питания, в том числе достаточно сложных и дорогих.

 

 

Рис. 6. Структурная схема неуправляемого выпрямителя

СТ – силовой трансформатор; БВ – блок выпрямителя; Ф – фильтр.

Основные схемы выпрямителей.В зависимости от числа фаз питающего источника переменного напряжения различают однофазные и трех фазные схемы выпрямителей. Основные схемы однофазных выпрямителей, получивших наиболее широкое практическое применение, следующие:

1) Однополупериодная с одним диодом (рис.7) применяются в основном при мощностях в нагрузке до 10 – 25 Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинствами этой схемы являются минимальное число элементов, малая стоимость. Недостатки – низкая частота пульсаций (равна частоте питающей сети), плохое использование трансформатора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током;

 

 

Рис. 7

 

2) двухполупериодная со средней точкой применяется чаще всего при мощностях до 100 Вт. Выпрямители, выполненные по данной схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций, возможностью использования диодов с общим катодом или анодом, что является очень удобным при установке обоих диодов на общий радиатор.

Относительно средней точки вторичной обмотки Тр напряжение сдвинуто на180°. То есть в любой полупериод изменения напряжения питающей сети напряжения в первой и второй секциях вторичной обмотки трансформатора находятся в противофазе. В положительный полупериод сетевого напряжения диод VD1 открыт (на его аноде положительный потенциал), а диод VD2 закрыт. При смене полярности сетевого напряжения (отрицательная полуволна) открывается диод VD2, а диод VD1 закрывается.

В каждый полупериод сетевого напряжения ток через нагрузку протекает в одном направлении и только через один диод. Потери мощности на вентильном комплекте примерно в два раза меньше по сравнению с мостовой выпрямительной схемой, в которой ток нагрузки в каждый полупериод сетевого напряжения протекает через два последовательно включенных диода. К недостатку схемы можно отнести обязательное наличие средней точки у вторичной обмотки трансформатора. При необходимости среднюю точку можно получить, если у трансформатора есть две одинаковые вторичные обмотки

3) Мостовая двухполупериодная схема характеризуется хорошим использованием мощности Тр, применяется при мощностях в нагрузке до 1 кВт и более (рис. 8). Достоинства выпрямителей, выполненных по этой схеме – повышенная частота пульсаций, меньшее обратное напряжение на выпрямляющих диодах. Недостатки – повышенное падение напряжения на выпрямительном блоке, невозможность установки однотипных диодов на общем радиаторе без электроизоляционных прокладок.

 

 

Рис. 8 Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя.

 

В положительный полупериод напряжения вторичной обмотки U (положительный потенциал на верхнем по схеме выводе) диод VD2 открыт (на его аноде положительный потенциал). Ток вторичной обмотки протекает через VD2, конденсатор С и нагрузку, возвращаясь ко вторичной обмотке через диод VD3. В отрицательный полупериод напряжения U (положительный потенциал на нижнем по схеме выводе) ток протекает через VD4, C и Rн, возвращаясь к вторичной обмотке через диод VD1.

4) Двухполярная выпрямительная схема позволяет получить два выпрямительных напряжения разной полярности (рис. 9).

 

 

Рис. 9 Двухполярная схема выпрямителя.

 

Особенностью этой схемы является то, что на ее выходе присутствуют два напряжения разной полярности относительно общего вывода (земли). Данную схему можно рассматривать как два мостовых двухполупериодных выпрямителя, включенных особым образом. Схема используется при построении двухполярных (ращепленных) источников питания, в том числе и стабилизированных.

Симметричная схема с удвоением напряжения (рис.10) применяется в основном для питания маломощных устройств, требующих повышенного напряжения питания и потребляющих ток в несколько единиц или десятков миллиампер. К таким устройствам можно отнести рентгеновские трубки, варикапные матрицы, электронные лампы и электронно-лучевые трубки.

 

 

Рис. 10 Симметричная схема с удвоением напряжения (схема Латура)

 

Принцип работы этой схемы (как и других аналогичных умножителей напряжения) основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий вентиль (диод). По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно, и их напряжение суммируется.

Рассматриваемая схема состоит из 2-х однополупериодных выпрямителей.

Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на конденсаторах С1 и С2, каждый из которых заряжается до напряжения U_C1= U_C2 = U_m – U_пр ≈U_m. Где U_m – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки ТР, U_пр – прямое напряжение на выпрямляющем диоде. При R_н → ∞ выходное напряжение схемы практически равно 2U_m. Реальное сопротивление нагрузки имеет конечное значение, поэтому заряд одного конденсатора сопровождается одновременным разрядом другого через R_н и выходное напряжение становится меньше 2U_m.

Для того, чтобы напряжение на выходе было максимально приближено к 2U_m необходимо выбирать емкости конденсаторов, удовлетворяющих 2U_m, неравенствам: R_н C₁ >> T, R_н C₂ >> T, где Т-период напряжения сети.

5) несимметричная схема с удвоением напряжения показана на рис.7. Как видно из рисунка 7, два однополупериодных выпрямителя питаются от разных по величине напряжений. В отрицательный полупериод изменения напряжения U конденсатор С₁ заряжается через открытый диод VD1. При смене полярности напряжения U на противоположную (положительный полупериод) заряжается конденсатор C₂ через открытый диод VD2, причем до напряжения примерно равного удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки 2U_m. Как следует из рис.11, конденсатор С₂ заряжается под действием суммы напряжений вторичной обмотки и конденсатора С₁, который в течении предыдущего полупериода был заряжен до напряжения примерно равного U_m.

 

 

Рис. 11. Несимметричная схема удвоения напряжения.

 

При выборе конденсаторов необходимо иметь в виду, что рабочее напряжение конденсатора С₂ должно быть в два раза больше, чем рабочее напряжение С₁.Достоинством схемы является то, что один из выводов вторичной обмотки трансформатора соединен с отрицательным полюсом нагрузки и его можно заземлить.

Фильтры выпрямителей.Предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до величины, приемлемой по условиям эксплуатации данного устройства (нагрузки). Важным показателем фильтра является коэффициент сглаживания:

где , – коэффициенты пульсаций входного и выходного напряжений по первой гармонике; , – постоянные составляющие входного и выходного напряжений; , – амплитуды первой гармоники входного и выходного напряжений; – коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения фильтра; – коэффициент фильтрации. Если пренебречь потерями в фильтре и считать, что среднее значение выпрямленного напряжения до и после фильтра равны (U_вх = U_вых), коэффициент сглаживания будет равен коэффициенту фильтрации.

Диапазон требуемых коэффициентов пульсаций выходного напряжения для различного рода устройств колеблется от 0,001 до 0,2 – 0,5. При выборе схемы и параметров фильтра, кроме , необходимо также учитывать характер нагрузки и условия ее работы. Так, например, если выпрямитель служит для питания коллекторных цепей усилителя низкой частоты, работающего в режиме B или AB, необходимо предусмотреть, чтобы выходное сопротивление фильтра было минимальным для токов частот в пределах частотного диапазона усилителя. В противном случае в усиливаемом сигнале появятся искажения. Необходимо также исключить возможные перенапряжения и броски тока, обусловленные переходными процессами в фильтре при изменениях нагрузки.

Все фильтры делятся на две группы: фильтры с пассивными RLC-элементами и фильтры с активными элементами. RLC-фильтры простые и надежные в эксплуатации, однако их вес и габариты при питании РЭО могут существенно сказываться на общем весе и габаритах выпрямителя, а также питаемой аппаратуры. Это объясняется тем, что габариты реактивных элементов конденсаторов и дросселей резко возрастают. При этом в результате насыщения сердечника дросселя постоянной составляющей выпрямленного тока индуктивность его уменьшается, и фильтрующие свойства фильтра ухудшаются. Негативное влияние может оказывать магнитные поля рассеяния дросселя, выполненного с воздушным зазором.

Фильтры с активными элементами (транзисторами) не содержат сглаживающих дросселей и поэтому не имеют перечисленных недостатков. Кроме этого в транзисторных фильтрах применяются конденсаторы значительно меньшей емкости, чем емкости конденсаторов в аналогичных по параметрам фильтрах с пассивными элементами.

В настоящее время фильтры с активными элементами как самостоятельные функциональные узлы встречаются редко. Это обусловлено тем, что задачу сглаживания пульсаций успешно решают стабилизаторы напряжения, выполненные на активных элементах.

Рассмотрим основные типы пассивных фильтров (рис. 12).

 

Рис 12. Основные типы пассивных сглаживающих фильтров.

а – емкостной; б – индуктивный; в – Г-образный;

г – П-образный; д – пробка; е – режекторный.