ИВЭП ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ. Основные требования к ИВЭП для питания электронной аппаратуры
ПРЕДИСЛОВИЕ
В первой части данного учебного пособия рассматриваются источники питания электронной аппаратуры, в которых для улучшения технико - экономических показателей использовано промежуточное звено повышенной частоты. Их называют также источниками вторичного электропитания (ИВЭП). Звено повышенной частоты, следовательно, не нужно непосредственно для питания потребителя, а используется для внутренних нужд преобразователя, позволяя улучшить его массогабаритные показатели, повысить к.п.д. и качество выходного напряжения. Наибольший эффект достигается тогда, когда в преобразовательном устройстве необходим трансформатор. Трансформация на повышенной частоте выгодна потому, что за короткий полупериод, когда магнитный поток Ф сердечника изменяется в одном направлении, он не успевает достичь больших значений. Если при этом сохранить плотность магнитного потока - индукцию, равной индукции насыщения магнитного материала, либо максимально допустимой по нагреву, то можно радикально сократить сечение сердечника, а, следовательно, и размеры обмоток. К тому же самому выводу можно прийти, если применить закон электромагнитной индукции в дифференциальной, либо интегральной формах
, 
, (В-1)
где W - число витков первичной обмотки, 
- ее потокосцепление, а u - напряжение на ней.
Интеграл в правой части последнего равенства есть площадь под кривой напряжения на обмотке. Максимальное значение эта площадь имеет на полупериоде между нулями напряжения, а соответствующее ей приращение потокосцепления равно удвоенной его амплитуде
, (В-2)
где Fc - сечение сердечника, а Bm - амплитуда индукции в нем.
Ясно, что указанная площадь пропорциональна длительности полупериода и при снижении этой длительности при Bm=const пропорционально снижается требуемое значение произведения числа витков на сечение сердечника WFc. Однако чаще при высоких частотах допустимая амплитуда индукции определяется не условиями насыщения, а условиями нагрева, что несколько снижает эффект от повышения частоты, поскольку допустимая по нагреву индукция с увеличением частоты снижается. Тем не менее при повышении частоты с 50 Гц до 10¸20 кГц достигается снижение массы трансформатора в число раз, порядок которого равен 10. Примерно в той же пропорции снижаются потери мощности в трансформаторе.
Промежуточное звено повышенной частоты придает источнику питания также ряд других преимуществ:
1) сокращаются размеры фильтровых устройств, так как высокочастотные пульсации легче сглаживаются;
2) с помощью инверторного звена, которое необходимо для получения повышенной частоты, можно осуществить стабилизацию выходного напряжения и ограничить токовые перегрузки при аварийных режимах.
Основные недостатки ИВЭП:
1) усложняется как силовая схема, так и система управления, повышаются требования к полупроводниковым ключам, которые должны быть достаточно быстродействующими;
2) высокочастотные преобразователи создают интенсивные радиопомехи, что требует введения специальных помехоподавляющих фильтров.
Основная область применения ИВЭП в настоящее время - питание электронной аппаратуры. В немалой степени этому способствовал переход к микроэлектронной элементной базе. Размеры аппаратуры сократились при этом во много раз и на этом фоне традиционные источники питания с выпрямителями и сетевыми трансформаторами стали занимать до 70¸80 % объема всей аппаратуры, что и стимулировало разработку ИВЭП. К настоящему времени основные проблемы, которые возникли при этой разработке, можно считать решенными. Мало того, появилась возможность использовать найденные решения и для других источников питания, содержащих сетевые трансформаторы. Примерами могут служить источники питания для заряда емкостных накопителей энергии, для сварки и др. В перспективе область применения систем с промежуточным звеном повышенной частоты велика, поскольку в энергосистемах промышленной частоты электроэнергия по пути от генератора к потребителю несколько раз проходит через трансформаторы. Расход активных материалов на их изготовление, прежде всего дорогостоящей и дефицитной меди, огромен, и переход к системам трансформации на повышенных частотах сулит большие выгоды. Подобные системы в последнее время начали называть электронными трансформаторами (ЭТ), поскольку, выполняя функции трансформатора, они содержат кроме него также полупроводниковые преобразователи на входе и выходе. В схеме ИВЭП ЭТ является важнейшей составной частью.
Перспективы дальнейшего внедрения ИВЭП и ЭТ связаны, прежде всего, с совершенствованием быстродействующих полупроводниковых ключей, а также высокочастотных трансформаторов.
Часть I настоящего учебного пособия представляет собой краткий конспект лекций с контрольными вопросами. В ней излагаются основные схемы ИВЭП, принцип их действия, основные характеристики и методика расчета. Приведен раздел по радиопомехам и средствам борьбы с ними.
Пособие предназначено для студентов специальности 7.090803 «Электронные системы».
1. ИВЭП ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
1.1. Основные требования к ИВЭП для питания электронной аппаратуры
Современная аппаратура строится, в основном, на микроэлектронной элементной базе. Исходя из этого, необходимы, в основном, низкие напряжения питания нулевой частоты с величинами порядка 
5 В, 15 В и аналогичные.
Первичным источником питания является обычно однофазная сеть промышленного переменного тока 220 В, 50 Гц. Необходима гальваническая развязка (отсутствие электрического контакта) между сетью и нагрузками, чтобы можно было безопасно выполнять наладочные работы на аппаратуре при подключенном ИВЭП. Во многих случаях необходима также гальваническая развязка отдельных выходов ИВЭП.
Сформулируем с учетом сказанного основные требования к ИВЭП:
1) работоспособность в диапазоне токов нагрузки (10 ¸ 100) % от номинального;
2) ограничение токовых перегрузок при коротких замыканиях в нагрузке на уровне
(120 ¸ 130) % от номинального значения;
3) допустимое отклонение выходных напряжений от номинальных значений
(3 ¸ 5) %;
4) допустимые пульсации выходных напряжений ИВЭП - (1 ¸ 2) %;
5) гальваническая развязка выходов от первичного источника питания, а в специальных случаях и друг от друга;
6) ограничение радиопомех на уровне, определяемом действующими стандартами.
1.2 Структурная схема ИВЭП для питания электронной аппаратуры. Классификация электронных трансформаторов
 |
Т
ЭТ
Рис.1.2.1
Структурная схема ИВЭП приведена на рис.1.2.1. Первичным источником питания ИП, как уже указывалось выше, является обычно однофазная сеть промышленного переменного тока 220 В, 50 Гц. В таком случае напряжение сети перед поступлением на другие узлы выпрямляется сетевым выпрямителем СВ. Первичное питание возможно также от автономного источника постоянного тока, например, аккумулятора. Далее в схеме имеется широтно - импульсный преобразователь ШИП для стабилизации выходных напряжений и ограничения токовых перегрузок. С его выхода постоянное напряжение поступает на инвертор И, которым преобразуется в высокочастотное переменное. Трансформатор Т служит для изменения уровня напряжения и гальванической развязки. На вторичной стороне имеется один или несколько каналов с нагрузочными выпрямителями НВ и нагрузками Н.
Совокупность узлов, обведенная на рис. 1.2.1 пунктирным прямоугольником, является ЭТ. В общем случае электронным трансформатором называют преобразовательное устройство, выполняющее функции нерегулируемого трансформатора и содержащее, наряду с электромагнитным трансформатором, также электронные звенья преобразования частоты трансформируемого тока. Функции нерегулируемого трансформатора, о которых идет речь в определении, состоят в гальванической развязке и преобразовании напряжений и токов в соответствии с равенствами
, 
(1.2.1)
где 
- постоянный коэффициент (коэффициент трансформации); с индексом “п ” обозначены величины на входе, а с индексом “н” на выходе.
ЭТ классифицируются по различным признакам. По роду тока на выходе различают трансформаторы постоянного и переменного напряжений. В структурной схеме рис. 1.2.1 используется ЭТ первого вида. По числу гальванически развязанных выходов выделяют одно- и многоканальные ЭТ. По возможности обращения потока энергии различают необратимые и обратимые ЭТ. Чтобы ЭТ на схеме рис.1.2.1 был обратимым, выпрямитель НВ должен переводиться в инверторный режим. Необходимость в обращении потока энергии возникает, например, тогда, когда в нагрузке имеются электродвигатели, которые могут переходить в режим рекуперативного торможения. При питании электронной аппаратуры такой потребности не возникает. Наконец, по способу управления можно выделить ЭТ с независимым возбуждением и с самовозбуждением; у первых частота, на которой происходит трансформация, задается специальным генератором в системе управления, а у вторых отдельное устройство задания частоты отсутствует.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Назовите основные требования к ИВЭП для питания электронной аппаратуры.
2. Зачем нужна гальваническая развязка нагрузок и источника питания ? В чем она состоит?
3. Поясните узлы структурной схемы ИВЭП и их назначение.
4. Какое устройство называют электронным трансформатором ?
5. Каким образом классифицируются ЭТ ?
1.3 Электронные трансформаторы постоянного напряжения ( ТПН )
1.3.1 ТПН с насыщающимся силовым трансформатором (схема Ройера)
Данный ТПН обладает наиболее простой схемой и принадлежит к классу схем ЭТ с самовозбуждением. Интервал между очередными переключениями в коммутаторе инвертора, он же полупериод трансформируемого тока, равен времени перемагничивания сердечника силового трансформатора по полной петле гистерезиса от отрицательного насыщения к положительному, либо наоборот. Частоту, следовательно, задает силовой трансформатор и система управления сводится лишь к двум цепям обратных связей от него на базы транзисторов инвертора.
Рис. 1.3-1
На рис.1.3-1 изображена схема ТПН при нулевом исполнении инвертора и выпрямителя. Схема содержит источник питания 
, конденсатор входного фильтра 
, инвертор на транзисторах 
, силовой трансформатор с коллекторной, нагрузочной и базовой обмотками, диодный нагрузочный выпрямитель, конденсатор выходного фильтра 
и нагрузку 
.
Транзисторы инвертора включаются и выключаются поочередно. Если, например, включен
, то он подключает верхнюю коллекторную полуобмотку к источнику питания и тогда полярности напряжений на обмотках 
и 
соответствуют обозначенным на рисунке. Напряжение нижней базовой полуобмотки заставляет протекать ток в базе , удерживая его во включенном состоянии. Следовательно, в схеме действует положительная обратная связь.
Процесс переключения транзисторов поясним вначале упрощенно. Как только сердечник насытится, магнитный поток в нем перестанет изменяться, что в согласии с законом электромагнитной индукции, приведет к снижению до нуля э.д.с. в базовой обмотке и выключению проводившего ток транзистора. Последнее приведет, в том числе, и к прерыванию намагничивающего тока, замыкавшегося в контуре 
, верхняя 
,. Возникающая за счет накопленной магнитным полем энергии э.д.с. самоиндукции, в согласии с правилом Ленца, поддерживает спадающий ток, то есть ее полярность противоположна помеченной на рис.1.3-1. Появляющийся при этом положительный потенциал на базе 
приводит к лавинообразному включению этого транзистора.
Анализируя процесс переключения более строго, следует добавить, что с началом процесса насыщения сердечника и вызванного им уменьшения индуктивного сопротивления коллекторной полуобмотки ток коллектора вначале быстро нарастает (рис.1.3-1,в). Причина повышения коллекторного тока состоит в том, что ток базы приходится принимать с запасом по отношению к минимально необходимому значению 
, чтобы перекрыть возможный разброс коэффициента усиления 
и снижение его величины при минимальной рабочей температуре. Поэтому в базе транзистора практически во всех режимах работы имеется избыточный заряд, позволяющий нарасти току коллектора до нескольких раз по отношению к номинальному току нагрузки, прежде чем транзистор выйдет из насыщения. Лишь после этого начинается выключение транзистора, которое имеет лавинообразный характер вследствие действия положительной обратной связи.
После включения напряжение питания прикладывается уже к нижней полуобмотке с полярностью, противоположной той, которая была в предшествующий полупериод. В результате на обмотках трансформатора получается напряжение прямоугольной формы, которое выпрямляется нагрузочным выпрямителем, давая в идеале постоянное напряжение на нагрузке даже без дополнительного фильтра. Практически, однако, немгновенность процесса переключения транзисторов ведет к появлению провалов выпрямленного напряжения, для сглаживания которых и необходим конденсатор 
.
Длительность полупериода определяется условием, сформулированным в первом абзаце настоящего раздела. Применяя к полупериоду закон электромагнитной индукции в форме (В-1) с учетом того, что 
, получим зависимость для определения частоты выходного напряжения
(1.3.1)
Наряду с простотой схема Ройера обладает также тем достоинством, что она не боится коротких замыканий в нагрузке. При коротком замыкании напряжение на обмотках трансформатора, в том числе и на базовой, падает до нуля, что приводит к выключению обоих транзисторов и прекращению генерации. Хотя при этом и не достигается избирательного отключения поврежденного блока питаемой аппаратуры предохранителем, так как ток в нагрузке прекращается, но тем не менее короткое замыкание не наносит ущерба самому ЭТ.
Основной недостаток схемы Ройера состоит в наличии иглообразных всплесков тока перед выключением силового транзистора (рис. 1.3-1,в), что увеличивает коммутационные потери и снижает надежность его работы. Поэтому схему Ройера применяют при малых мощностях (до 5¸10 Вт).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ :
1. Назовите основные узлы ЭТ по схеме Ройера.
2. Чем определяется частота выходного напряжения в схеме ?
3. Поясните физические процессы при переключении транзисторов.
4. Почему в схеме Ройера имеются иглообразный всплеск тока перед выключением силового транзистора и к каким последствиям это приводит ?
5. Как связать частоту промежуточного звена с параметрами трансформатора ?
6. В чем состоят достоинства и недостатки схемы Ройера ? Каковы области ее применения.
ТПН с насыщающимся управляющим трансформатором (схема Енсена).
Устранение недостатков схемы Ройера достигается, если разделить функции силового и управляющего трансформаторов. При этом устраняется токовая перегрузка силовых транзисторов, с той, правда, оговоркой, что приняты меры для устранения одностороннего насыщения сердечника силового трансформатора (см.разд.1.3.5). Кроме того, появляется возможность расширить функции управления, организовав обратную связь по напряжению, току или комбинированную.
На рис.1.3-2 приведена схема с обратной связью по напряжению. Первичная обмотка управляющего трансформатора 
через резистор 
подключена к коллекторной обмотке силового трансформатора 
, на которой, как и в схеме Ройера, действует переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой 
. Ток первичной обмотки
, (1.3.2)
где 
- приведенное к первичной обмотке падение напряжения 
между базой и эмиттером силового транзистора; величина составляет около 1 В и почти не зависит от тока базы. Ток 
трансформируется во вторичную обмотку 
и удерживает во включенном состоянии один из силовых транзисторов до той поры, пока не насытится сердечник управляющего трансформатора. Как только это произойдет, ток в базе включенного транзистора падает, что приводит к его лавинообразному выключению. Далее по той же причине, что и для преобразователя Ройера, происходит включение второго транзистора.
|
При определении частоты переключений учтем, что в течение полупериода напряжение на вторичной (базовой) обмотке равно падению напряжения между
Рис. 1.3-2
базой и эмиттером открытого транзистора. Теперь можно записать соотношение, аналогичное (1.3.1)
(1.3.3)
Параметры силового трансформатора определяются таким образом, чтобы индукция в его сердечнике не достигала 
.
Недостаток схемы с обратной связью по напряжению состоит в следующем. Величину резистора 
приходится выбирать настолько малой, чтобы при максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении питания обеспечить насыщенное состояние силового транзистора, Тогда при минимальном токе нагрузки и максимальном напряжении питания степень насыщения проводящего транзистора велика, то есть будет избыточен расход мощности на управление и возрастут длительности интервалов рассасывания неосновных носителей заряда при выключении транзистора. Кроме того, потери в резисторе снижают к.п.д.
|
От этого недостатка свободна схема с обратной связью по току, обеспечивающая пропорционально - токовое управление силовыми транзисторами. Она изображена на рис. 1.3-3 при полумостовом исполнении инвертора. Первичная обмотка 
управляющего трансформатора 
подключена не параллельно первичной обмотке силового трансформатора 
,как в схеме рис.1.3-2, а последовательно с ней.
С учетом намагничивающего тока 
управляющего трансформатора ток базы
(1.3.4)
Если нагрузка преобразователя меняется в широких пределах и, следовательно, ток коллектора 
может принимать малые значения, соизмеримые с 
, то последовательная обратная связь не обеспечивает насыщения силового транзистора. Это ведет к преждевременному переключению транзисторов, когда нарастающий ток приблизится к настолько, что 
станет меньше 
. Действительно, в начале положительного полупериода индукция B, получившаяся в результате предшествующего полупериода, отрицательна. Поэтому отрицательный знак имеют напряженность поля Н и пропорциональный ей ток (рис.1.3.4), что способствует удержанию силового транзистора во включенном состоянии 
. Однако в последующем величины Н и меняют знак и ток базы снижается.
|
Преждевременное переключение транзисторов ведет к росту частоты переключений и коммутационных потерь. Поэтому, если возможен режим холостого хода на выходе или близкий к нему, целесообразно использовать комбинированную обратную связь. Обратная связь по напряжению должна обеспечить составляющую тока базы, достаточную для компенсации намагничивающего тока при индукции, приближающейся к индукции насыщения . Приближенно можно принять амплитуду намагничивающего тока
, (1.3.5)
где 
- магнитная проницаемость, что соответствует замене ненасыщенного отрезка петли гистерезиса пунктирной прямой на рис.1.3-4.
Еще один недостаток схем с пропорционально - токовым управлением состоит в отсутствии самозащиты от перегрузок по току. Чем больше ток коллектора, тем больше и ток базы, то есть обратная связь при перегрузках стремится удержать транзистор во включенном состоянии и ток короткого замыкания не ограничивается. Для токоограничения используются дополнительные средства. В схеме ИВЭП (рис.1.2-1) эту функцию выполняет широтно - импульсный преобразователь ШИП.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Назовите основное отличие ТПН по схемам Ройера и Енсена с точки зрения состава схемы.
2. Поясните процесс переключения в схеме с насыщающимся управляющим трансформатором.
3. Каким образом установить связь между частотой переключений и параметрами управляющего трансформатора?
4. Сопоставьте преимущества и недостатки вариантов схемы с обратной связью по напряжению и току. Когда целесообразно применять комбинированную обратную связь?
5. Поясните роль намагничивающего тока управляющего трансформатора в формировании тока базы силового транзистора.
Узел пуска - форсировки
Элементами узла пуска - форсировки являются форсирующий конденсатор С, опорные диоды VD и пусковой резистор R. Источник тока и обмотка замещают… При протекании управляющего тока в цепи управляющего перехода силового… Пусковой резистор переводит транзистор в активный режим работы. Поскольку при пуске на закрытом транзисторе есть…Односторонее насыщение сердечника силового трансформатора
Причина одностороннего насыщения сердечника силового трансформатора состоит в асимметрии половин схемы вследствие разброса параметров элементов,… Постоянная составляющая напряжения не превышает нескольких процентов от… 1) малость активного сопротивления обмотки, в результате чего постоянная составляющая намагничивающего тока (его…Однотактные ТПН
На рис.1.3-9 изображена наиболее простая схема однотактного ТПН. Силовая схема… Наличие интервала паузы t0 в токе силового ключа затрудняет реализацию принципа самовозбуждения. Поэтому однотактные…Выбор схемы ТПН и определение ее основных параметров
Входной и выходной токи. Допущения относительно формы токов
Ветвей схемы
, , , (1.3.8) где - предварительное значение коэффициента полезного действия, которое может… uн и uп - напряжение нагрузки и источника питания.Параметры коммутаторов
Таблица 1.3.1 Напряжения и токи инвертора. Вид схемы … Амплитуду напряжения на ключе необходимо связать с известным напряжением питания или нагрузки. В полумостовой схеме…Параметры силового трансформатора
Перепад потокосцепления за полупериод равен площади под кривой напряжения , (1.3.11) где - перепад индукции. Допустимое определяется насыщением и нагревом. По первому условию не может превышать примерно…Управляющий трансформатор
, (1.3.14) где - ток базы, определяемый условием насыщения силового транзистора при… Амплитуда индукции определяется соотношением (1.3.3) при подстановке Bm вместо , при этом надо учесть все составляющие…Выбор схемы ТПН
1. Чем меньше мощность ТПН, тем проще должна быть его схема. В особенности это относится к системе управления, так как узлы ее логической части не… 2. Чем ниже напряжение на коммутаторе, тем большую долю составляет падение… 3. Для инверторного коммутатора при независимом возбуждении однотактная и нулевая схемы обладают тем преимуществом,…Широтно - импульсные преобразователи
Понижающий и повышающий преобразователи
В зависимости от сложности выполняемой преобразовательной функции различают простые и составные ШИП. Простые ШИП выполняют элементарные функции… На рис. 1.4.1,а показан понижающий ШИП. Силовая схема, наведенная жирными… В установившемся режиме напряжение на индуктивности L (на рис.1.4-1,а показано штриховкой) имеет нулевое среднее…Способы соединения ШИП и ТПН
1.5.2. Квазипрямоугольный ИВЭП Он получается введением двухтактного ТПН с полумостовой, мостовой или нулевой схемами инвертора в сечение DD’ в ШИП (…Прямоходовой преобразователь.
Основным дестабилизирующим фактором является изменение напряжения питания un: при его уменьшении приходится увеличивать коэффициент заполнения,… Как уже указывалось в разд. 1.3, один из недостатков однотактной схемы состоит… (1.5-1)Обратноходовой преобразователь
Процессы в схеме протекают следующим образом. При замыкании ключа S напряжение источника питания подводится к первичной обмотке и запас энергии в… В связи с существенным упрощением силовой схемы обратноходовой преобразователь…Радиопомехи. Помехоподавляющие фильтры и помехозащитное конструирование