1.2. Характеристики источников питания и его отдельных каскадов

Основной характеристикой любого источника пита­ния, так же как и каждого его каскада, является внешняя характери­стика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от величины выходного тока, представленных на рисунке 1.1. Семейство кривых (рис. 1.1,а) характерно для первичных источников питания. В данном случае приведены внешние характеристики солнечной батареи. Основная кривая дает зависимость напряжения от тока нагрузки при нормальных условиях освещения (например, ясный день в средних широтах, солнце высоко над горизонтом) и нормальной температуре. Кривая 2 дает ту же зависимость, но при более интенсивном освещении (батарея поставлена нормально к солнечным лучам), а кривая 3 соответствует тем же условиям освещения, что и кривая, но батарея работает при более низкой температуре. Учет остальных факторов, влияющих на работу солнечной батареи, еще больше расширит семейство внешних характеристик. Аналогичные зависимости получаются и для других типов первичных источников энергии. Их выходное напряжение зависит от величины, подводимой к ним энергии, тока нагрузки и характеристик окружающей среды. Выходная характеристика стабилизатора выходного напряжения (рис. 1.1, б) при высоком качестве стабилизатора сливается на рабочем участке АВ в одну линию.

Д ля оценки стабильности выходного напряжения или тока используют коэффициенты нестабильности, причем их определяют для каждого из параметров, вызывающего изменения выходной величины. Так, для солнечной батареи по характеристикам (рис. 1,а) можно определить в любой рабочей точке нестабильность

Рис. 1.1. Внешние характеристики ВИП: а) семейство кривых для первичных источни­ков питания, б) выходная характеристика стабилизатора выходного напряжения

выходного напряжения, вызываемую изменением мощности светового потока. Коэффициент нестабильности в данном случае будет определяться как отношение отклонения выходного напряжения ∆U к вызвавшему это отклонении изменению светового потока ∆Ф:

к_Ф = ∆U/∆Ф (1.1)

Его удобно назвать коэффициентом нестабильности по входной световой мощности.

Нестабильность напряжения, вызванная изменением температуры, может быть оценена тепловым коэффициентом нестабильности, измеряемым в вольтах на градус Цельсия:

k_t = ∆U_вых/∆t (1.2)

Для определения изменений напряжения выпрямителя и стабилизатора при колебаниях величины подводимого к ним напряжения Е следует пользоваться коэффициентом нестабильности по входному напряжению:

k_E = ∆U_вых/∆E (1.3)

Иногда пользуются не абсолютными коэффициентами нестабильности, а относительными, представляющими собой отношение процентных изменений выходной величины и дестабилизирующего фактора. Например, для относительного коэффициента нестабильности по входному напряжению получим

K_Eотн = ∆U_выхЕ/(∆ЕU_вых) (1.4)

Изменения выходного напряжения, вызываемые колебаниями тока нагрузки, для любого источника или каскада определяются выходным, или, как его еще называют, внутренним, сопротивлением источника или каскада. При нелинейной внешней характеристике это сопротивление является дифференциальным и определяется в каждой рабочей точке как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его отклонению выходного тока, взятое с обратным знаком:

R_вых= -∆U_вых/∆I_вых (1.5)

Знак «минус» введен в это выражение потому, что у источника с положительным выходным сопротивлением при росте тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.

В семействе внешних характеристик выходное сопротивление определяет наклон каждой из кривых и может быть вычислено графически. Выходное сопротивление является одним из важнейших показателей источника питания или его каскада, так как определяет зависимость напряжения на нагрузке от величины потребляемого ею тока. В самом деле, если источник постоянного тока обладает линейной внешней характеристикой (рис.1.2, а), то его эквивалентная схема замещения будет состоять из двух элементов: э.д.с. холостого хода E_вых и внутреннего сопротивления R_вых (рис. 1.2,б). Ток в сопро-

Рис. 1.2. Внешняя характеристики (а,в) и эквивалентная схема источника постоянного тока(б)

тивлении нагрузки Rн напряжение на ней и мощность, отдаваемая источником P₀, будут соответственно равны:

I₀=Eвых/(R_н+R_вых) (1.6)

U₀=E_вых-I₀R_вых=E_выхR_н/(R_н+R_вых) (1.7)

P₀=E²_выхR_н/(R_н+R_вых)² (1.8)

Изменения сопротивления нагрузки вызывают изменения мощности, отдаваемой источником. Наибольшая мощность будет выделяться на нагрузке в том случае, когда сопротивление нагрузки равно выход­ному сопротивлению R_н=R_вых. Эта максимальная мощность тем больше, чем меньше выходное сопротивление:

P_0max=E²_вых/(4R_вых) (1.9)

Если внешняя характеристика источника нелинейна (рис. 1.2, в), то выходное сопротивление в каждой рабочей точке будет иметь различную величину. Нахождение отдаваемой источником мощности в этом случае удобно производить графически. Для этого необходимо решить совместно два уравнения. Первое нелинейное уравнение внеш­ней характеристики:

U₀=f(I₀) (1.10)

а второе уравнение для нагрузки:

U₀=φ(I₀) (1.11)

Если нагрузка представляет собой линейное сопротивление, то, как было уже сказано, ее характеристика представляется на графике прямой линией с наклоном, определяемым сопротивлением R_н. Точка пересечения А характеристик (рис. 1.2, в) дает совместное решение двух уравнений и, следовательно, определяет установившиеся выходное напряжение U₀₀ и выходной ток I₀₀. Мощность, отдаваемая источником, определяется площадью прямоугольника с вершиной, лежащей в точке А. Произведя несколько последовательных построений для разных значений R_н можно найти как оптимальное для данного источника сопротивление нагрузки, так и максимальную, мощность, отдаваемую источником. Максимальная мощность отдается в оптимальную нагрузку.

Зависимость выходного напряжения от отдаваемого источником тока вызывает также и связь между несколькими радиоустройствами, подключенными к этому источнику, или каскадами одного радиоустройства. Эта связь через общий источник питания (общее R_вых источника) приводит к взаимовлиянию работы радиоустройств или его каскадов и может привести как к взаимным помехам, так и к отказу в работе.

В сложных установках, содержащих много каскадов, устранить взаимовлияние, вызванное связью через общий источник питания, достаточно трудно. Поэтому и приходится применять стабилизаторы напряжения, имеющие очень малое выходное сопро­тивление, а в каскадах радиоустройства, чувствительных к такому влиянию или являющихся источниками нестабильности, предусматривать фильтры-развязки, изолирующие их от общего источника питания.

Простейший развязывающий фильтр, представленный на рисунке 3.1, получается при подсоединении конденсатора С параллельно выходным клеммам источника. Выходное сопротивление источника с таким фильтром зависит от частоты изменения тока нагрузки ω_н и для его переменных составляющих, имеющих частоту ω_н > 1/(СR_вых), будет определяться лишь емкостным сопротивлением 1/(ω_н С) и, следовательно, может иметь малую величину при любом значении R_вых

Рис. 1.3. Схема фильтра-развязки

Связь между двумя устройствами У₁ и У₂ (их эквивалентные нагрузки R_н1 и R_н2) будет определяться емкостью конденсатора С и при значительных величинах ω_н окажется весьма слабой.

До сих пор речь шла лишь об источниках и стабилизаторах напряжения. Источник напряжения должен поддерживать постоянным напряжение на выходе при изменении тока нагрузки в заданных преде­лах. Следовательно, его выходное сопротивление должно быть как можно меньше, а выходная характеристика почти горизонтальной.

Стабилизатор тока должен поддерживать постоянным ток через нагрузку при изменении напряжения на ней. Выходное сопротивление источника тока на рабочем участке должно быть как можно больше и в соответствии с этим рабочий участок его внешней характеристики получается почти вертикальным.

Это отличие источника напряжения от источника тока накладывает отпечаток и на показатели соответствующих схем. Для источника напряжения приводились коэффициенты нестабильности, учитываю­щие изменение выходного напряжения, а для источника тока, соответ­ствующие коэффициенты необходимо подсчитывать как отношение изменений выходного тока к отклонениям дестабилизирующих факторов. Поскольку большинство радиоустройств требует для сохранения режима постоянных питающих напряжений, в схемах питания источники напряжения и стабилизаторы напряжения встречаются гораздо чаще, чем источники тока и стабилизаторы тока. Необходимо отметить, что иногда один и тот же элемент может использоваться как источник напряжения и как источник тока. Это определяется выбором рабочего участка внешней характеристики. Например, солнечная батарея при малых токах нагрузки ведет себя как источник напряжения, а при токах нагрузки, близких к току короткого замыкания как источник тока.

Самой общей и наиболее часто применяемой оценкой качества источника питания являются его удельные массовые и объемные характеристики. Они позволяют сравнивать совершенно различные по принципу работы, источники питания по массе и объему, приходящемуся на один Ватт мощности, отдаваемой в нагрузку (удельные мощностные характеристики), или один ватт/час энергии, отдаваемой в нагрузку (удельные энергетические характеристики).

Особенно удобны эти характеристики для оценки первичных источников. При питании устройств, создающих пиковую нагрузку, более важны удельные мощностные объемная и массовая характеристики:

pv = P_v /V (1.12)

p_g = P_н /G , (1.13)

где Рн — мощность, отдаваемая в нагрузку, G — масса источника питания; V — его объем.

Если же источник должен работать на постоянную нагрузку в течение долгого времени, то для него более важны хорошие удельные энергетические объемная и массовая характеристики q_v и q_G. Эти характеристики определяются отношениями:

q_v=Q_н /V (1.14)

q_v=Q_н /G, (1.15)

где Q_н — энергия, отдаваемая в нагрузку за время работы.

Все удельные характеристики зависят от режима работы источника, запасов, заложенных в него для обеспечения надежности, и внешних условий. Поэтому правильный выбор источника питания можно сделать лишь на основе анализа семейства кривых, определяющих его удельные характеристики в зависимости от нагрузки, внешних условии и прочих причин, влияющих на работу источника.

В лияние нагрузки источника питания на его удельные характеристики удобно оценить по зависимости его энергетических показателей от мощностных показателей. Примером такой зависимости являются графики (рис. 1.4, а,б) для никель-кадмиевого аккумулятора НК-10.

Рис. 1.4. Влияние нагрузки на удельные характеристики

При малом сопротивлении нагрузки аккумулятор отдает запасенную в нем энергию за малое время, и поэтому получается большая мощностная отдача. Однако значительный наклон характеристик показывает, что чем быстрее разряжается аккумулятор, тем меньшую энергию он отдает в нагрузку и большая ее часть теряется в самом источнике. Построенные на рисунке 1.4. для разных температур окружающей среды характеристики показывают, что качественные показатели аккумулятора заметно ухудшаются при его охлаждении. К источникам питания радиоустройств предъявляются не только требования стабильности в работе, малых массы и габаритов, но и целый ряд других.

Однако приведенные пояснения показывают, как подходить к оценке качеств источника питания и какие надо потребовать для этого характеристики.