книги / Электропитание устройств связи
..pdfПринцип действия схемы стабилизатора основан на изменении угла включения тиристоров а. При изменении выходного напряже ния стабилизатора изменяется сигнал на выходе схемы сравнения и на выходе усилителя постоянного тока. Изменение сигнала на
Ф
ис
Рис. 8.29. Тиристорный стабилизатор постоянного напряжения: а) структурная схема; б) графики U c ( t ), u7$(t), uyi(t), Ui(t)
выходе усилителя изменяет фазу управляющих импульсов, а еледовательно, и угол включения тиристоров а.
При увеличении выходного напряжения стабилизатора в резуль тате воздействия цепи обратной связи угол а увеличивается от ве личины cti до величины что уменьшает напряжение на первич ной обмотке трансформатора и снижает выходное напряжение ста билизатора до первоначального значения.
При уменьшении выходного напряжения угол а уменьшается.
211
8.7.СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
СДВУМЯ РЕГУЛИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Рассмотрим рис. 8.30. Выходное напряжение подается на схе му сравнения (СС), сравнивается с опорным, и сигнал рассогласо-
вания через усилитель (УПТ) воздействует на регулирующий эле |
|||||
|
мент |
( 1 РЭ), включенный на |
|||
|
стороне |
постоянного |
тока |
||
|
после |
выпрямителя В. |
Ре |
||
|
гулирующий |
элемент |
1РЭ |
||
|
изменяет |
свои параметры и |
|||
|
воздействует |
на второй ре |
|||
|
гулирующий элемент, вклю |
||||
Рис. 8.30. Структурная схема стабилизато |
ченный на стороне перемен |
||||
ра постоянного напряжения с двумя регу |
ного тока |
(2 РЭ ). В качест |
|||
лирующими элементами |
ве первого элемента (1 РЭ) |
(или |
электронная |
|
используется |
транзистор |
||
лампа), в качестве |
второго ( 2 Р Э )— магнит |
|||||
ный |
усилитель. Такое |
включение двух |
регулирующих элементов |
|||
уменьшает |
мощность, |
рассеиваемую |
регулирующим |
элементом |
||
(1 РЭ) на |
стороне |
постоянного тока, |
повышает КПД |
источника |
питания, улучшает стабильность и уменьшает напряжение на 1 РЭ.
В цепь перехменного тока стабилизатора (рис. 8.31) включены рабочие обмотки МУ с самонасыщением. Регулирующий транзистор Ti линейного стабилизатора шунтирован делителем RzR^ Напря-
Рис. 8.31. Схема стабилизатора постоянного напряжения с двумя регулирующими элементами:
1 — трансформатор, выпрямитель, |
фильтр |
|
жение на сопротивление |
сравнивается |
с напряжением на ста |
билитроне Д% и сигнал их разности управляет транзистором Гг, в
цепь коллектора которого включена обмотка управления МУ. При увеличении выходного напряжения стабилизатора увеличи
вается напряжение на нижнем плече делителя Они, увеличивается
отрицательный потенциал на базе транзистора Гу и растут его базовый и коллекторный токи.
212
Ток базы транзистора Tt уменьшается, что увеличивает его кол-
лекторное напряжение. Увеличиваются напряжения на сопротив лении R4, токи базы и коллектора транзистора Т2, а следовательно, увеличивается и ток в обмотке управления МУ. В результате умень шается время насыщенного состояния сердечников МУ, уменьша ется напряжение £ /0 на выходе выпрямителя, и выходное напряже
ние возвращается к своему первоначальному значению. При умень шении выходного напряжения схема работает аналогично.
В результате, при любом изменении входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора напряжение на регулирующем тран зисторе 7\ линейного стабилизатора остается практически неизмен ным.
8 .8. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В качестве параметрического стабилизатора переменных напря жений может быть использован нелинейный элемент с малым ди
намическим сопротивлением. Таким |
элементом является дроссель |
|||
с |
насыщенным |
сердечником, |
а) |
Ljl |
вольт-амперная |
характеристика |
|
|
|
которого изображена на рис. 8.32. |
|
|
||
В другом масштабе эта характе |
|
|
||
ристика является |
магнитной ха- |
|
|
Рис. 8.32. ВАХ насыщен |
Рис. 8.33. |
Параметрический ста |
|
ного дросселя |
билизатор |
переменного |
напря |
|
|
жения: |
|
|
а) схема; б) графики, поясня |
||
|
ющие принцип действия |
пара |
|
|
метрического стабилизатора пе |
||
|
ременного напряжения |
щения (на пологом участке кривой) относительно большим при ращениям тока в дросселе Д/ соответствуют незначительные изме нения напряжения AU.
2)3
Простейший параметрический стабилизатор рис. 8.33а состоит из дросселя с ненасыщенным сердечником (Хл) и дросселя с насы щенным сердечником (La). Параллельно насыщенному дросселю
включается сопротивление нагрузки.
Рассмотрим принцип действия стабилизатора при 2 Н= °°, вос
пользовавшись характеристиками насыщенного и ненасыщенного дросселей (рис. 8.336). Если пренебречь потерями в стали и ме ди насыщенного и ненасыщенного дросселей, то можно считать, что напряжения на них совпадают по фазе, а сумма этих напряжений равна напряжению сети. Суммируя характеристики дросселей, по лучим суммарную характеристику Uc— f(l). Uc(I) — ULn(I) + + UL
Отложив по оси ординат максимальное \UCmax и минимальное Uс тга значения напряжения сети, из характеристик определим со
ответствующие значения напряжений на насыщенном дросселе* Uвых max LJвых тт- Как видно из рис. 8.33б, изменение напряжения Д^вых значительно меньше изменения напряжения сети Д[/с.
Величина изменения напряжения AUBhlx зависит от степени на
сыщения стали и от магнитных свойств сердечника.
Недостатками рассмотренной схемы являются: низкий cosq) (0,2—0,3), большие габариты дросселей; низкий коэффициент ста билизации. В связи с этими недостатками данная схема применяет ся редко.
Для устранения указанных недостатков в стабилизаторе, парал лельно насыщенному дросселю, включается конденсатор. Такой стабилизатор называется феррорезонансным (рис. 8.34а).
Включение емкости параллельно насыщенному дросселю позво ляет сместить рабочий участок нелинейного элемента в область
а) Ц
Рис 8 34. Феррорезонансный стабилизатор на пряжения:
а) схема, б) зависимости между напряжением и током в ин дуктивности, емкости и в нагрузке
214
малых токов. На рис. 8.346 представлены характеристики насы щенного дросселя ULn=f(I)> напряжения на конденсаторе Uc= f(f)
и характеристика параллельного контура, полученная сложением двух первых характеристик.
Результирующий ток / р резонансного контура равен геометри
ческой сумме токов индуктивности и емкости, т. е. /P= / L + / C. Ес ли потерь в дросселе и конденсаторе нет, то токи 1ь и 1с находят
ся в противофазе и результирующий ток равен арифметической разности этих токов, т. е. /р= / L—1С. Поэтому на рис. 8.346 ток
lL отложен вправо, как положительный, а ток / с — влево, как от
рицательный. При малых напряжениях индуктивность дросселя ве лика, ток в дросселе мал, и результирующий ток имеет емкостный характер. В точке А, соответствующей резонансу токов, результи
рующий ток равен нулю, и при дальнейшем повышении напряже ния результирующий ток имеет индуктивный характер. При этом результирующий ток резко увеличивается с повышением напряже ния, что соответствует резкому уменьшению эквивалентной индук тивности контура LHC. Из сравнения рабочих (пологих) участков кривых ULH и ULC видно, что при одинаковых изменениях тока на пряжение на резонансном контуре (кривая ULC) меняется меньше, чем в случае одного дросселя (кривая ULH), т. е. резонансный кон-
тур улучшает стабилизирующую способность устройства. Устойчивая работа стабилизатора возможна лишь за точкой
резонанса (от точки А вправо), так как на этом участке повыше
ние напряжения вызывает увеличение тока как в резонансном кон туре, так и в гасящей индуктивности, падение напряжения на ко торой компенсирует приращение напряжения на входе. Слева от точки А (участок А—В) устойчивая работа стабилизатора невоз
можна (срыв стабилизации), так как положительным прираще ниям напряжения соответствуют отрицательные приращения тока резонансного контура и гасящей индуктивности, вследствие чего
падение напряжения на дросселе |
уменьшается, повышая вы |
ходное напряжение в большей степени. |
|
Из кривых рис. 8.346 видно, что феррорезонансный стабилиза тор очень чувствителен к изменению частоты тока питающей сети. Изменение частоты на 1—2% вызывает изменение выходного нап ряжения на 2—3,5%. При увеличении частоты тока (пунктирные кривые на рисунке) индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное — уменьшается. Поэтому кривая ULn пройдет выше, а Uc — ниже и кривая выходного напряжения ULC сместится вверх,
т. е. напряжение на выходе стабилизатора повысится. Уменьшение частоты тока вызывает понижение напряжения на выходе.
В схеме рис. 8.35а дроссель с насыщенным сердечником LH представляет собой повышающий автотрансформатор, первичное напряжение U\ которого подается от сети через дроссель Ln. На пряжение Uъ снимаемое с обмотки 0—2, больше приложенного для
того, чтобы было обеспечено стабильное номинальное напряжение при понижении напряжения сети. Резонансная обмотка 0—3 имеет
♦еще большее число витков для увеличения индуктивности, что да ет возможность уменьшить емкость конденсатора, так как необхо димая резонансная частота обеспечивается определенной величи ной LHC. Однако напряжение на резонансной обмотке Uc должно
быть меньше максимально допустимого значения для конденсато ра, используемого в схеме*
Рис. 8.35. Феррорезонансный стабилизатор: а) схема; б) характеристики
На рис. 8.356 изображены зависимости между напряжениями и токами для всех обмоток автотрансформатора, пересчитанных ко вторичной цепи. Так как напряжение, снимаемое с автотрансфор матора U2» не остается строго постоянным, то для повышения ста бильности вводится компенсационная обмотка К, включаемая так, чтобы ее ЭДС UKбыла направлена встречно напряжению и вы ходное напряжение будет равно геометрической разности t/ 2 и UK>
т. е. 6гвы х=^2— Компенсационная обмотка помещена на од ном сердечнике с обмоткой Ln> ее ЭДС, так же как и напряже
ние на индуктивности |
пропорциональна току (£ /к |
~ |
/). |
|
Достоинствами феррорезонансных стабилизаторов |
напряжения |
|||
являются: простота, высокая надежность, |
относительно |
высокий |
||
КПД (до 0,85), стойкость |
к перегрузкам |
и механическим |
воздей |
ствиям и относительно низкая стоимость.
К наиболее существенным недостаткам феррорезонансных ста билизаторов напряжения следует отнести: зависимость выходного напряжения от изменения частоты источника питания, несинусоидальность формы кривой выходного напряжения, чувствительность к виду нагрузки и относительно большую массу.
Глава девятая.
Преобразователи постоянного тока
9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для питания радиоаппаратуры и аппаратуры связи от источни ков постоянного тока с низким напряжением (аккумуляторные ба тареи) используются преобразователи постоянного тока в перемен ный. Для этого могут быть использованы электромашинные пре образователи, унформеры, вибропреобразователи и статические преобразователи на полупроводниковых приборах.
Электромашинные преобразователи вырабатывают напряжение синусоидальной формы, в то время как полупроводниковые и виб ропреобразователи — напряжение прямоугольной формы. Недо статком электромашинных преобразователей является большие масса и габариты, а недостатком вибропреобразователей — не большая мощность, малый срок службы и невысокая надежность. Поэтому наиболее широко применяются полупроводниковые преоб разователи с малыми габаритами и массой, высокими КПД и экс плуатационной надежностью.
Преобразователи напряжения на небольшую мощность (до* 500 Вт) при питании от источников с низким напряжением преиму щественно выполняются на транзисторах. Преобразователи на' большие мощности, питающиеся от источников с повышенным на пряжением, рационально выполнять на тиристорах.
9.2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
Транзисторные преобразователи напряжения по способу воз буждения подразделяются на два типа: преобразователи с само возбуждением и преобразователи с усилением мощности.
Транзисторы в преобразователях напряжения могут включать ся по схеме с ОЭ, ОК или ОБ. Наибольшее применение находят схемы с ОЭ, так как в них реализуется максимальное усилениетранзисторов по мощности и наиболее просто достигаются условна самовозбуждения.
217
П р е о б р а з о в а т е л и с с а м о в о з б у ж д е н и е м . Преобра зователи с самовозбуждением выполняются на небольшие мощно сти (до нескольких десятков ватт) по однотактной и двухтактной схемам. Однотактные преобразователи с самовозбуждением пред ставляют собой релаксационные генераторы с положительной ОС.
Трансформатор в однотактных преобразователях работает с подмагничиванием, что резко увеличивает намагничивающий ток и потери в трансформаторе. В связи с этим однотактные преобразо ватели применяются ограниченно в основном для преобразования малой мощности (порядка 1—2 Вт).
Наиболее широко применяются схемы двухтактных преобразо вателей напряжения. Преобразователь рис. 9.1 состоит из транс
|
|
|
форматора |
Tpi |
|
и |
двух транзисто |
|||||||
|
|
|
ров |
Т \, |
Т ъ |
включенных по |
схеме с |
|||||||
|
|
|
ОЭ. |
Трансформатор |
выполнен |
на |
||||||||
|
|
|
сердечнике |
из |
материала |
с |
прямо |
|||||||
|
|
|
угольной петлей |
гистерезиса. Вход |
||||||||||
|
|
|
ными |
зажимами |
преобразователь |
|||||||||
|
|
|
включен в сеть источника постоян |
|||||||||||
|
|
|
ного тока с напряжением U0. |
На |
||||||||||
|
|
|
|
пряжение, |
снимаемое |
с |
резистора |
|||||||
|
|
|
|
Re делителя напряжения, |
создает |
|||||||||
|
|
|
на |
базах транзисторов отрицатель |
||||||||||
|
|
|
|
ное |
(относительно |
эмиттеров) |
сме |
|||||||
|
|
|
|
щение, |
что |
обеспечивает |
надежный |
|||||||
|
|
|
|
запуск |
преобразователя. |
Так как |
||||||||
|
|
|
|
сопротивления |
транзисторов |
не |
мо |
|||||||
|
|
|
|
гут быть абсолютно |
одинаковыми, |
|||||||||
|
|
|
|
то их коллекторные токи окажутся |
||||||||||
Рис |
9 1. Схемы |
преобразователей |
различными |
и, |
следовательно, |
на |
||||||||
напряжения с |
самовозбуждением |
магничивающие |
силы |
верхней |
(ао) |
|||||||||
а) |
с трансформатором* |
и нижней (об) |
|
половин |
первичной |
|||||||||
насыщающимся; б) |
переклю |
|
||||||||||||
|
чающим |
|
обмотки трансформатора будут так |
|||||||||||
|
|
|
|
же |
различны. |
В |
результате нера |
|||||||
магничивающих сил |
создается |
венства |
встречно |
действующих |
на |
|||||||||
результирующий |
магнитный |
по |
ток в сердечнике трансформатора, который индуктирует в обмотке ОС (вг) ЭДС, направленную так, чтобы к базе транзистора, через
который первоначально протекал больший ток (например, Ti), бы ло приложено отрицательное напряжение, а к базе транзистора, через который при включении протекал меньший ток (например, Г2), положительное напряжение. Это приведет к увеличению тока коллектора транзистора 7\ и уменьшению тока коллектора тран зистора Тъ вследствие чего увеличится как магнитный поток в сер
дечнике трансформатора, так и ЭДС, индуктируемая в обмотке ОС. Дальнейшее уменьшение сопротивления транзистора 7\ вызы вает увеличение тока, протекающего через него и верхнюю поло вину первичной обмотки трансформатора, что увеличивает магнит ный поток и ЭДС обмотки ОС, которая уменьшает сопротивление
218
транзистора TV При этом к верхней половине первичной обмотки окажется приложенным напряжение источника U0 за вычетом па
дения напряжения в открытом транзисторе 7V Увеличение тока в верхней половине первичной обмотки и магнитного потока в сер-
/дечникёМ'рансформатора происходит до насыщения материала по следнего.
При насыщении материала сердечника увеличение магнитного потока прекращается и ЭДС обмотки ОС становится равной ну лю, так что потенциал базы транзистора 7\ повышается. При этом Сопротивление транзистора Т± увеличивается, а ток коллектора Тi
уменьшается, вызывая уменьшение магнитного потока в сердечни ке трансформатора. Изменение магнитного потока в сторону умень шения изменит направление ЭДС обмотки ОС так, что транзистор Т2 откроется, а транзистор Т\ закроется. В дальнейшем будет про исходить увеличение тока, протекающего через транзистор Т2 и
нижнюю половину первичной обмотки трансформатора. При этом магнитный поток в сердечнике, изменив направление, начнет также увеличиваться. При достижении насыщения сердечника вновь про изойдет переключение, т. е. транзистор Тх откроется, а транзистор Г2 закроется и т. д.
Таким образом, транзисторы 7Т и Т2 работают в ключевом ре
жиме, поочередно подключая к верхней и нижней половинам пер вичной обмотки трансформатора постоянное напряжение U0 и
обеспечивая периодическое изменение тока первичной обмотки. Изменяющийся магнитный поток в сердечнике трансформатора индуктирует во вторичной обмогке переменную ЭДС, форма кривой которой близка к прямоугольной. Для уменьшения потерь мощности на переключение в транзисторах Ти Т2 сердечники транс
форматоров изготовляют из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (например, 50 НП, 79 НМ, 34 НКМП).
Переключение транзисторов может происходить раньше, чем наступит насыщение сердечника. В этом случае магнитный поток перестает увеличиваться из-за того, что коллекторный ток тран зистора достиг своего предельного значения. Предельное значение коллекторного тока определяется максимально возможной в дан ной схеме величиной базового тока и коэффициентом усиления транзистора по току. 'Необходимо отметить, что такой режим рабо ты преобразователя используется редко, так как -работа преобра зователя в этом случае мало экономична и неустойчива из-за влия ния разброса параметров транзисторов на режим переключения.
Преобразователи рис. 9.1а используются как задающие генера торы для уоилителей мощности ,и как автономные маломощные источники электропитания. Их основные достоинства — простота схемы, а также нечувствительность к коротким замыканиям в цепи нагрузки. При коротком замыкании в цепи нагрузки срываются автоколебания преобразователя и транзисторы Ti и Т2 закрывают
ся. Недостатком преобразователей с насыщающимся трансфор матором является наличие выбросов коллекторного тока в момент
219
(переключения транзисторов, что увеличивает потери в преобра зователе.
Схема рис. 9.16 имеет ряд преимуществ по сравнению со схемой рис. 9.1 я. Выходной трансформатор преобразователя рис. 9.16 работает в линейной области без захода рабочей точки в область насыщения. Переключение транзисторов Tif Г2 осуществляется за счет насыщения промежуточного трансформатора Тр2. Сопро тивление /?ос в цепи первичной обмотки трансформатора Тр2 не
обходимо для устранения бросков коллекторного тока при пере ключении транзисторов. В момент насыщения сердечника транс форматора Тр2 увеличивается ток в его первичной обмотке. На пряжение на сопротивление Яос резко возрастает, ток базы, а соот
ветственно и ток коллектора транзистора уменьшаются.
В двухтрансформаторной схеме преобразователя транзисторы переключаются при меньших значениях коллекторных токов, чем в схеме с насыщающимся трансфорхматором.
Недостатком преобразователя является наличие дополнитель ного трансформатора и некоторое усложнение его базовых цепей.
В рассмотренных схемах преобразователей к закрытому тран зистору прикладывается напряжение, равное сумме напряжения питания Uo и ЭДС, наведенной в неработающей половине первич
ной обмотки. Следовательно, напряжение на закрытом транзисторе равно удвоенному напряжению питания (2 670). Кроме того, на
пряжение на транзисторе может иметь выброс, возникающий в момент его выключения. Амплитуда выброса зависит от индуктив ности рассеяния обмоток трансформатора и скорости изменения тока коллектора.
Таким образом, в схемах двухтактных преобразователей, где трансформатор выполнен со средней точкой, напряжение на за крытом транзисторе, превышает удвоенное значение напряжения питания. Поэтому рассмотренные схемы преобразователей исполь зуются при сравнительно низких напряжениях источника питания
(Uо = 2 5 — З О В ) .
В схеме рис. 9 2 транзисторы —Г4 образуют мост, в одну
диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора Трь а в другую диагональ включен источник питания с напряже нием U0. Обмотки обратной связи подключаются к базам транзи сторов Т1—Г4 через дополнительные сопротивления i?6. Сопротив ления Ri установлены в схеме для надежного запуска преобразо
вателя в момент подачи напряжения питания. В мостовых пре образователях напряжение коллектор — эмиттер закрытого тран зистора не превышает напряжение питания U0, поэтому они при
меняются для преобразования больших мощностей и при повышен ных напряжениях питания К недостаткам мостовой схемы по сравнению со схемами рис. 9 1 следует отнести вдвое большее число транзисторов.
П р е о б р а з о в а т е л и с у с и л и т е л я м и м о щ н о с т и . При преобразовании больших мощностей наибольшее распространение получили преобразователи с использованием усилителя мощно
220