книги из ГПНТБ / Смирнов Б.В. Основы электроники и техники связи учебник

Г л а в а VIII

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1. Источники электропитания и преобразователи тока, применяемые в схемах электропитания электронных устройств

Источники электропитания. Для электронных устройств приме­ няются различные источники электропитания: сеть переменного тока, сеть постоянного тока, автономные электростанции перемен­ ного и постоянного тока (с двигателями внутреннего сгорания, гид­ равлическими двигателями, с механическим ножным пли ручным приводом), аккумуляторы (кислотные, щелочные железо-никеле­ вые, серебряно-цинковые и др.), гальванические элементы и бата­ реи (анодные, накальные, фонарные, телефонные и др.), термо­ электрогенераторы (на керосиновых лампах и керогазах, на сол­ нечных термобатареях).

Назначение и виды преобразователей тока. Между источником постоянного тока и электронным устройством необходимо иметь преобразователь, при помощи которого можно было бы преобра­ зовывать постоянный ток одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Для этой цели используются различные пре­

Стремление увеличить к. и. д. привело к созданию нового типа преобразователя — вибрационного. Отсутствие трущихся вращаю­ щихся частей и легкость конструкции разрывных контактов вибропреобразователя способствовали значительному повышению к. п. д. преобразования (до 60%). Но все же потери в электромагнитах и электронных лампах вибропреобразователей оставались еще большими.'Кроме того, умформерам и вибропреобразователям свойственны и другие недостатки: срок службы их не превышает нескольких сотен часов, они имеют большие габаритные размеры, генерируют электрические и акустические помехи при работе пе­ реключающихся контактов (в вибропреобразователе) пли коллек­ тора (в умформере).

Полупроводниковые преобразователи (транзисторные) из-за отсутствия вращающихся частей и подвижных контактов имеют высокую надежность, большой срок службы и высокий к. п. д. пре­ образования (до 95%). Такие преобразователи устойчиво рабо­ тают при тряске и вибрациях, выдерживают перегрузки и корот­ кие замыкания. К недостаткам полупроводниковых преобразова­ телей относятся температурные ограничения для транзисторов.

Вибропреобразователи. Вибратор (рис. 80, а) представляет со­ бой электромагнитную систему прерывателей, которая размещена

120

Когда напряжение к вибратору не подведено, пусковой контакт 4 замкнут. Благодаря этому через

электромагнит 3 потечет ток как только к~ вибратору подключатнизкое напряжение. Электромагнит срабатывает. Правые контак­ ты 6 и 5 размыкаются, а левые контакты 6 и 5 замыкаются. Ток через электромагнит прекращается. Но контакты под влиянием пружины возвращаются в исходное положение. Электромагнит снова получает питание, явления повторяются. Контакты вибрато­ ра начинают прерывать постоянный ток низкого напряжения (обычно с частотой 100 Гц). В вибропреобразователях постоянный ток низкого напряжения (обычно от аккумулятора) прерывается при помощи вибратора и поступает в первичную обмотку трансфор­ матора. Напряжение, повышенное этим трансформатором, снимает-, ся с его вторичной обмотки, выпрямляется и фильтруется. В зависи­ мости от способа выпрямления различают асинхронные и синхрон­ ные вибропреобразователи.

В асинхронном вибропреобразователе (рис. 81, а), помимо виб­ ратора Вб, трансформатора Тр и батареи В, имеется отдельный

к трансформатору Тр, со вторичной обмоткой которого соединен двухполупериодный выпрямитель В с фильтром, состоящим из дросселя Д р1 и конденсатора (Д. Для того чтобы помехи от виб-. ратора не проникали во внешние цепи, установлены сопротивле­ ние R и конденсатор С2 во вторичной обмотке трансформатора Тр, а также дроссель Др2 и конденсатор С3 в первичной обмотке трансформатора. При подключении аккумуляторной батареи Б че­ рез электромагнит 3 течет ток, якорь 4, притягиваясь, замыкаетконтакт 6. По нижней половине первичной обмотки трансформа­ тора Тр проходит импульс тока в направлении, указанном стрел­

12Ь

кой. При замыкании якоря 4 с контактом 6 замыкается электро­ магнит 3, ток в нем уменьшается до нуля, и якорь 4 упругой пла­ стинкой откидывается к контакту 1. Импульс тока проходит через верхнюю половину первичной обмотки трансформатора Тр, затем процесс повторяется. Повышенное напряжение со вторичной обмотки трансформатора выпрямляется диодным выпрямителем В, и постоянный ток через фильтр Др\—С: поступает на нагрузку.

Синхронный вибропреобразователь (рис. 81,6) отличается от асинхронного тем, что выпрямление повышенного напряжения производится не отдельный выпрямителем, а при помощи второй пары контактов 2 и 5, замыкающихся и размыкающихся одновре­ менно (синхронно) с контактами 1 и 6. Синхронные вибропреобра­ зователи часто используют в сочетании со схемой удвоения вы­ прямленного напряжения.

Для асинхронных схем вибраторы обозначаются буквами. ВА для синхронных — буквами В и ВС. Цифра справа указывает на­ пряжение аккумулятора, необходимое для работы вибратора.

Асинхронные вибраторы позволяют получать на выходе боль­ шую мощность, чем синхронные, за счет того, что обе пары рабо­ чих контактов включаются параллельно. Масса вибратора не пре­ вышает 150— 160 г.

Полупроводниковые преобразователи. Их работа основана на преобразовании постоянного тока источника питания (6 — 12 В)

Рис. 81. Схемы вибропреобразователей:

а — асинхронного; б — синхронного: 1, 2, 5, 6 — контакты; 3 — электромагнит; 4 — якорь.

122

Рис. 82. Схемы полупроводниковых преобразователей:

<г— с однотактным генератором; б — с двухтактным генератором.

при помощи транзисторных генераторов в ток повышенной часто­ ты (до 3— 8 кГц) и на повышении напряжения переменного тока с последующим его выпрямлением.

Для образования тока повышенной частоты используются од­ нотактные и двухтактные генераторы. В однотактной схеме на транзисторе Т (рис.'82, а) задающий контур образуется индуктив­

1—2 Вт.

Чтобы повысить мощность преобразования до 30—50 Вт, вклю­ чают два транзистора, работающих по двухтактной схеме.

При двухтактной схеме (рис. 82,6) транзисторы Тх и Т2 вы­ полняют роль переключателей, поочередно открываясь и запира­ ясь наподобие ламп в схемах мультивибраторов. Роль задающего контура здесь выполняет индуктивность и собственная емкость обмотки Li трансформатора Тр, а обратная связь осуществляется при помощи обмотки Lq того же трансформатора. Применение мо­ стовой схемы выпрямления исключает пбдмагничивание сердечни­ ка трансформатора постоянным током. Делитель R i—R2 позволя­ ет устанавливать режим транзисторов по постоянному току за

123

ч

является каждый полупериод за счет открытия соответствующего тиристора (рис. 114). Когда направление тока через тиристор сов­ падает с направлением тока нагрузки, схема работает в режиме выпрямителя. Когда ток нагрузки по направлению противоположен току через открытый тиристор, создается режим инвертирования.

По принципу действия различают автономные и зависимые ин­ верторы. В зависимых инверторах моменты открытия и закрытия тиристоров зависят от моментов естественной коммутации тока в питающей сети. В автономных инверторах такая коммутация яв­ ляется полностью независимой (искусственной). Наибольшее рас­ пространение получают автономные инверторы.

Автономные инверторы создают на полностью управляемых вентилях, присоединяющих к источнику постоянного тока поочеред­ но фазы нагрузки переменного тока как в одном, так и в другом на­

постоянного^тока. В первый полупериод образование выходного синусоидального напряжения происходит за счет отпирания и за­

170

пирания тиристоров ЗТ—7Т. Во второй полупериод ток пропускают тиристоры 6Т—8Т. Моменты и продолжительность пропускания тока через тиристоры ЗТ—8Т определяются импульсами, показан­ ными на рисунке 115,6 в виде вертикально заштрихованных пря­

моугольников.

Амплитуду тока во вторичной обмотке трансформатора Тр уста­ навливают подбором числа витков обмоток а, в, с. Амплитуду этого напряжения на обмотке с принимают за 100%, а амплитуду напря­ жения обмоток в и а — соответственно 73,5 и 26,5% (рис. 115, б, вверху). При соблюдении всех этих условий импульсы, суммирую­ щиеся на сопротивлении нагрузки RH, образуют ток ступенчатой формы. Первая гармоника его iHl имеет период 2л и максимальную

амплитуду С.

Для улучшения запирания тиристоров ЗТ—8Т предусматрива­ ются тиристоры 1Т—2Т, включенные в первичную обмотку транс­ форматора Тр. В моменты их переключения во вторичных обмот­ ках а, в, с исчезает напряжение и тиристоры ЗТ—8Т запираются. Тиристоры 1Т—2Т пропускают ток в моменты и на время, обозна­ ченные на рисунке 115,6 горизонтально заштрихованными прямо­ угольниками.

8.Преобразователи напряжения и частоты на тиристорах

В настоящее время напряжение и частоту тока принято изме­ нять сочетанием двух встречно включенных выпрямителей (так на­ зываемое непосредственное преобразование частоты тока) и соче­ танием регулируемого выпрямителя с инверторами (преобразование со звеном постоянного тока).

Ниже приведены примеры реализации этих способов преобразо­ вания напряжения и частоты тока,-

Непосредственный преобразователь частоты позволяет полу­ чать рабочую частоту f, в 3 раза меньшую частоты питающей сети

жительную полуволну тока, а правая группа тиристоров 1', 2', 3' — отрицательную полуволну тока в сопротивлении нагрузки ZH (рис. >116, б). Для упрощения чертежа пульсации выпрямленного тока не указаны и полуволна тока изображена поэтому в виде прямо­ угольника.

Для того чтобы обе группы тиристоров открывались именно так, импульсы управления подаются во времени, как указано на рисунке 116, г.

При активно-индуктивной нагрузке в индуктивности создается запас энергии, поэтому каждый тиристор должен работать в инвер-

171

Рис. 116. Непосредственный преобразователь частоты:

а — схема; б — фазовые напряжения; а —ток нагрузки; г — управ­ ляющие импульсы, подаваемые на управляющие электроды тири­ сторов 1—3 и I'—3'.

торном режиме. Таким образом, каждая полуволна вторичного на­ пряжения формируется при помощи пары тиристоров каждой груп­ пы: один обеспечивает появление последовательности импульсов с углом задержки а, то есть осуществляет выпрямительный режим, другой тиристор создает последовательность импульсов с углом опережения (3, то есть осуществляет инверторный режим (заштри­ хованные площади). В следующий полупериод появление углов а и р на двух тиристорах происходит наоборот. Переход от выпрям­ ления к инвертированию совершается автоматически.

Переключение тиристоров происходит за время, соответствую­ щее углу ф, то есть за время существования инверторного режима. Полуволна выпрямленного тока заканчивается ранее, чем возник­ нет вторая полуволна (или сменит свою полярность полуволна пер-

172

Рис. 117. Непосредственный преобразователь частоты для регулирования частоты вращения синхронного двигателя.

вой гармоники гН1 тока нагрузки), благодаря этому исключается вредное влияние переходных процессов. При помощи изменения угла задержки а можно не только регулировать значение вы­ прямленного напряжения, но и придавать ему синусоидальную форму за счет отсечки частей полуволн напряжений t/a, UB, Uc с различной амплитудой.

На рисунке 117 показана схема непосредственного преобразова­ теля частоты, состоящего из шести трехэлементных групп тиристо­ ров. Группы с общим катодом (+ Л , + В , + С ) предназначены для образования положительной полуволны выходного напряжения, а группы с общим анодом (—А, —В, —С) — для образования его отрицательной полуволны. Частоту регулируют изменением угла отпирания тиристоров применительно к каждой фазе трехфазного напряжения. Диапазон регулирования частоты составляет от 0 до 15 Гц (при частоте сети 60 Гц). Преобразователь используется для

Рис. 118. Блок-схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

173

РВ и инвертор И в силовой части (рис. 118). Для получения управ­ ляющих импульсов и подачи их на тиристоры выпрямителя и инвентора предусматриваются блок управления выпрямителем БУВ, блок управления инвертором БУИ и источник питания цепей уп­ равления ИПУ. Преобразователь предназначен для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя АД. Интенсивность этого регулирования устанавливается блоком задания часто­ ты вращения БЗЧ. Предусматривается блок контактов защиты и управления БЗ.

Трансформатор постоянного тока представляет собой сочета­ ние преобразователя частоты ПЧ и выпрямителя В (рис. -119). Ти­ ристоры 1—4 первой группы работают в режиме'инвертора, когда напряжение на нагрузке больше напряжения сети ([/„>£/), а ти­ ристоры 5—8 включаются последовательно с нагрузкой. Когда UH<_U, тиристоры 5—8 второй группы работают в режиме инверто­ ра, а тиристоры 9—12 первой группы — в выпрямительном режиме.

Мощность трансформированной энергии равна ( U— Дн)/н.

4 « -

V -

гН^

*-Рг- Sr

174

Вентильные двигатели. На рисунке 120 показаны три схемы ре­ гулирования частоты вращения синхронных двигателей. Синхрон­ ный двигатель с трехфазными обмотками статора С подключают к однофазной сети переменного тока через трансформатор Тр. Об­ мотка возбуждения, расположенная на роторе, через контактные кольца включена в те точки схемы, между которыми проходит ток одного направления (постоянный ток /). Система управления тири­ сторами работает от датчика положения ротора.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Объясните принцип работы тиристорных устройств и назовите область их применения.

2.По каким признакам классифицируются тиристорные преобразователи?

3. Назовите основные элементы тиристорных преобразователей тока.

4. Приведите примеры и объясните схемы тиристорных выключателей электри­ ческих нагрузок.

5- Приведите примеры и объясните схемы применения тиристоров для преобра­ зования напряжения.

6.Объясните принцип работы и приведите примеры схем тиристорных (управля­ емых) выпрямителей.

7.Какие принципы положены в основу построения схем тиристорных инверторов?

8.Назовите принципы построения схем с тиристорами для преобразования на­ пряжения и частоты.

Г л а в а XI

ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕЛЕ

1.Принцип работы и характеристики электронных реле

По своему назначению и свойствам схемы электронных реле могут быть весьма разнообразными. Вместе с тем можно выде­ лить одно свойство, которое является общим для всех электронных реле и определяет принцип их работы. Это свойство заключается в ключевом режиме работы электронных реле. Основа ключевогр режима — наличие двух устойчивых состояний: нулевое, когда применяемый в реле электронный прибор находится в ненасыщен­ ном состоянии, и рабочее, когда происходит насыщение реле. В ключевом режиме могут работать электронные лампы, транзи­ сторы, газоразрядные приборы, фотодиоды, фототриоды, фотосо­ противления и т. д. Например, в электронном реле на вакуумных лампах рабочую точку А усилительной лампы (напряжение смеще­ ния— Е с) выбирают так, чтобы начальный анодный ток был мень­ ше тока отпускания электромагнитного реле Р (рис. 1 2 1 , а, г). При подаче на сетку лампы рабочего входного сигнала t/BX.p положи­ тельной полярности и не менее заранее обусловленной интенсивно­ сти лампа переходит в режим насыщения (ток нагрузки становит­ ся равным z"„s) и реле Р срабатывает.

175