ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Источники вторичного электропитания (ИВП) – электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию значения частоты, уровня и стабильности которой согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим параметрам конкретными ЭУ и системами.

В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного (генераторы) или постоянного (аккумуляторы, химические батареи и т.д.) тока.

Практика показывает, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены. Причина этого в том, что современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем (ИС), требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня. При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ± (5…10)%. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств, или аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1…0,01%).

Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено:

- несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, ибо промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50 Гц, в то время, как ЭУ в основном используют для питания напряжение постоянного тока, т.е. напряжение с частотой равной нулю;

- несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значение напряжения промышленной сети равно 220 или 380В, напряжение аккумуляторной батареи 12 В, что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования ИС;

- несовпадением стабильностей напряжений, ибо промышленная сеть допускает статические (долговременные) отклонения напряжения в диапазоне +15%…-20%, а напряжение аккумуляторной батареи может меняться от 7,5 до 15 В, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС.

Отметим, что, колебания напряжения питания для ЭУ и систем в целом являются внешними возмущениями, ухудшающими их параметры. Поэтому всегда возникает необходимость применение специальных устройств, согласующих частоту, уровень и стабильность напряжений, необходимых для питания отдельных узлов ЭС. Роль этого ЭУ и выполняют ИВП, преобразующие электрическую энергию в электрическую, т.е. выполняющие вторичное преобразование электрической энергии.

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых, как правило, может быть разбито на три основные группы; устройства согласования частоты, уровня и стабильности напряжения.

Устройства согласования частоты в зависимости от вида преобразуемой энергии подразделяются на два основных класса:

- выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение);

- инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное с заданной формой и частотой.

Устройства согласования уровня напряжения предназначаются для преобразования как постоянного, так и переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня.

Устройства согласования стабильности напряжения могут быть разбиты на два основных класса:

- сглаживающие фильтры – устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения (тока);

- стабилизаторы – устройства, поддерживающие на требуемом уровне среднее значение выходного напряжения, тока или мощности.

В соответствии со сказанным, обобщенную структурную схему ИВП, как это показано на рис. 3.1 а) можно представить в виде последовательного соединения трех блоков. Следует отметить, что с точки зрения конечного результата последовательность включения указанных блоков может быть произвольной и определяется дополнительными требованиями к ИВП, а также используемыми схемотехническими решениями отдельных блоков.

а)

б)

в)

Рис.3.1. Обобщенная а) и наиболее типовые б),в) структурные схемы BDG

На рис 3.1.б) приведена традиционная схема ИВП, включающая сетевой трансформатор (Тр), работающий на частоте 50Гц и обеспечивающий согласование уровней напряжения, выпрямитель (В), преобразующий переменное напряжение в пульсирующее, фильтр (Ф), выделяющий из пульсирующего напряжения постоянную составляющую и стабилизатор (Ст), поддерживающий на заданном уровне выходное напряжение. На рис 3.1.в) приведена современная структура ИВП, предполагающая первоначальное преобразование напряжения сети в постоянное напряжение (выпрямитель В1 и фильтр Ф1), потом это напряжение при помощи высокочастотного инвертора (Инв) и выпрямителя (В2) согласуется по уровню, и далее фильтр Ф2 выделяет постоянную составляющую выходного напряжения. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения режима работы инвертора, следящего за уровнем выходного напряжения. Применения высокочастотного преобразования позволяет значительно увеличить массо-габаритные показатели ИВП.

Основными параметрами определяющими возможность применения ИВП в конкретной аппаратуре являются:

1. Номинальные уровни входного Uвх ном и выходного Uвых ном напряжений. В зависимости от формы эти напряжения являются либо действующими (Uном=U), либо постоянными (Uном=Uср).

2. Предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений. Иногда их называют относительными изменениями или коэффициентом нестабильности напряжения:

;

где: , и соответственно минимальное, максимальное и номинальное значения входного напряжения.

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки и напряжения питания:

;

,

где; и - соответственно абсолютные изменения выходного напряжения от изменения тока нагрузки и входного напряжения.

Иногда значение задается как коэффициент стабилизации по напряжению:

Если BDG предназначен для получения на выходе стабильного тока или мощности, то перечисленные параметры определяются относительно этих величин.

3. Диапазон изменения выходной мощности Иногда этот диапазон задается диапазоном изменения тока нагрузки

4. Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного и выходного напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсации по i-ой гармонике:

.

5. Способность ИВП подавлять переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания:

.

Кроме перечисленных, в ИВП могут предъявляться дополнительные требования определяющие как его электрические, так и конструктивно-технологические параметры.

Рассмотрим построение наиболее важных типовых узлов ИВП.

Преобразователи переменного напряжения в пульсирующее (Выпрямители)

Основными параметрами выпрямителя являются:

1. Среднее значение выходного напряжения

.

2. Среднее значение выходного тока

.

3. коэффициент пульсации выходного напряжения

Рассмотрим основные схемы выпрямителей. При их построении используется два принципа:

- принцип отсечения одной из полуволн переменного напряжения;

- принцип инвертирования четных или нечетных полуволн входного напряжения.

Однофазный однополупериодный выпрямитель реализует принцип отсечения четных полуволн входного напряжения. Его схема и временные диаграммы, поясняющие работу, приведены на рис 3.2.

а)

б)

Рис.3.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя а) и временные диаграммы, поясняющие его работу б)

Так как полупроводниковый диод VD обладает односторонней проводимостью, то он пропускает в нагрузку только положительные полуволны входного напряжения. По структуре схема однополупериодного выпрямителя реализует последовательную схему преобразователя сигнала, где роль регулирующего элемента выполняет полупроводниковый диод VD.

Среднее значение напряжения на нагрузке равно:

.

Полагая, что амплитуда тока нагрузки , для среднего тока нагрузки получим:

.

Используя известное соотношение между амплитудным и действующим значениями синусоидального напряжения ( ) можно получить связь и с действующими значениями напряжения и тока.

Разложение напряжения нагрузки в ряд Фурье имеет вид:

, откуда амплитуда первой гармоники напряжения равна . Следовательно, коэффициент пульсации для однополупериодного однофазного выпрямителя равен:

.

При выборе диода для данной схемы выпрямителя следует учитывать, что его действующий ток равен , а максимальное обратное напряжение равно .

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя находит применение в случае получения высоких выходных напряжений при небольших токах нагрузки. Это, например, получение высокого напряжения для питания электронно-лучевых трубок.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель реализует принцип инвертирования четных или нечетных полуволн входного напряжения. Мостовая схема такого выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие ее работу приведены на рис.3.3.

а)

б)

Рис.3.3. Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя а) и временные диаграммы, поясняющие его работу б)

Нетрудно заметить, что это, фактически, две последовательно-параллельные схемы преобразователя сигнала, работающие не общую нагрузку. Положительная полуволна входного напряжения, протекая по последовательно включенным диоду VD3, сопротивлению нагрузки Rн и диоду VD2 создает ток нагрузки . Отрицательная полуволна входного напряжения, протекая по последовательно включенным диоду VD4, сопротивлению нагрузки Rн и диоду VD1, создает ток, протекающий в нагрузке в том же направлении, что и при положительной полуволне входного напряжения. Таким образом, направление тока и полярность напряжения нагрузки остается постоянной в оба полупериода входного напряжения.

Очевидно, что в этом случае средние значения выходного напряжения и тока будут в два раза больше, чем в схеме однофазного однополупериодного выпрямителя.

.

.

Можно показать, что для среднего значения напряжения нагрузки и амплитуды первой гармоники выходного напряжения справедливы выражения:

,

где: - номер первой гармоники, присутствующей в выходном напряжении.

Используя полученные соотношения, найдем обобщенное выражение для коэффициента пульсации выпрямленного напряжения.

.

Отметим, что полученные обобщенные выражения справедливы в случае непрерывности тока нагрузки и следовательно они не верны для однополупериодного выпрямителя.

Из рисунка 3.3.б) следует, что первой гармоникой в выходном напряжении будет гармоника с частотой . Тогда коэффициент пульсации для двухполупериодной схемы выпрямления будет равен ( =2):

.

Разновидностью однофазного двухполупериодного выпрямителя является схема со средней точкой. Для ее реализации требуется два источника переменного напряжения. Схема такого выпрямителя, приведенная на рис.3.4, фактически объединяет две схемы однополупериодного выпрямления, поочередно работающие на общую нагрузку, что требует соответствующей фазировки входных источников. По структуре это последовательно-параллельная схема преобразователя сигнала.

Однофазные двухполупериодные выпрямители являются основными схемами, используемыми в однофазной сети. Особенностью их применения является то, что в схеме со средней точкой последовательно с нагрузкой постоянно включен только один диод, в то время как в мостовой схеме таких диодов два. Поэтому при низких выходных напряжениях (до 4...5 В) из-за большего значения КПД чаще применяют схему со средней точкой.

Рис. 3.4. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

При повышении выходного напряжения разница в КПД схем уменьшается. Определяющим фактором становится меньшее обратное напряжение, прикладываемое к запертым диодам в мостовой схеме. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме.

Трехфазный однополупериодный выпрямитель реализует принцип отсечения четных полуволн входного напряжения. Его схема и временные диаграммы, поясняющие работу, приведены на рис 3.5.

Рис.3.5. . Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя а) и временные диаграммы, поясняющие его работу б)

Используя, полученные ранее обобщенные выражения и учитывая, что частота первой гармоникой выходного напряжения в три раза превышает частоту входного напряжения, для данной схемы получим:

.

.

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель(схема Ларионова) реализует принцип инвертирования четных или нечетных полуволн входного напряжения. Схема такого выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие ее работу, приведены на рис.3.6.

Рис.3.6. Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя а) и временные диаграммы, поясняющие его работу б)

Как следует из приведенных временных диаграмм частота первой гармоники выходного напряжения в 6 раз превышает частоту входного напряжения. Поэтому:

;

.

Таким образом, трехфазная двухполупериодная схема выпрямителя обладает наилучшими показателями из всех рассмотренных.

Внешняя характеристика выпрямителя отражает зависимость среднего выходного напряжения от тока нагрузки. Это одна из важнейших характеристик выпрямителя. На рис.3.7 приведена типовая внешняя характеристика.

Аналитически внешняя характеристика выпрямителя может быть описана выражением:

,

где: - выходное сопротивление выпрямителя, складывающее из дифференциальных сопротивлении прямо смешенных диодов и выходного сопротивления первичного источника (например, обмоток трансформатора);

- количество последовательно включенных диодов;

- напряжение схемы замещения прямосмещенного диода.

Рис.3.7. Внешняя характеристика выпрямителя