книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Глава 13. Энергетические преобразователи

табилизирующих воздействий во всем заданном диапазоне их вариаций. Запас на регулирование напряжения достигает (0,25...0,45)£/,, что приво­ дит к низкому значению КПД - до г) = 50 %.

Использование в импульсных компенсационных стабилизаторах на­ пряжения ключевого режима работы проходного транзистора, который большую часть времени находится в состоянии насыщения или отсечки, приводит к минимальному потреблению энергии от источника питания, обеспечивая КПД до 98%.

Принцип работы импульсного стабилизатора основан на периодиче­ ском подключении на время /0 (открытое состояние проходного транзи­ стора) нагрузки к источнику и ее отключении в остальную часть периода. Структура импульсного стабилизатора во многом повторяет построение последовательного непрерывного стабилизатора. Он содержит источник опорного напряжения, с которым сравнивается уровень выходного напря­ жения U2, и управляющее устройство (УУ), формирующее и усиливающее разностный сигнал (рис. 13.21,а).

Рис. 13.21. Структура импульсного стабилизатора (а) и управляющие импульсы (б)

Отличительной особенностью структуры является наличие ШИМ и сглаживающего фильтра (Ф). При изменении входного напряжения U{ (или тока нагрузки) разностный сигнал поступает на модулятор, который вырабатывает управляющее напряжение в виде последовательности им­ пульсов изменяемой длительности t0 с периодом Т (рис. 13.21,6). Последо­ вательность с модуляцией (изменением) ширины ШИМ имеет постоянную составляющую Uy = Vt0/ T , которая выделяется сглаживающим фильт­ ром. Цепь обратной связи с УУ регулирует длительность t0 таким образом, чтобы выходное напряжение с определенной погрешностью поддержива­ лось неизменным.

В импульсных стабилизаторах применяются преимущественно клю­ чи на транзисторах различного типа (например, полевом с индуцирован­ ном каналом) и сглаживающие LC-фильтры (рис. 13.22,а). Режим работы транзистора задается управляющими импульсами щ (рис. 13.22,6). При от­ крытом транзисторе Тк на интервале 0 < t < /0 под действием напряжения {/, - U 2 ток ii проходит в нагрузку через дроссель L, в котором происходит накопление энергии.

Рис. 13.22. Схема силовой части последовательного (понижающего) стабилизатора (а) и диаграмма его работы (б)

При закрытом транзисторе Тк в течение паузы запасенная энергии через разрядный диод Д передается в нагрузку. Конденсатор фильтра С служит для сглаживания кривой выходного напряжения. Поскольку часто ту следования импульсов / = \/Т обычно выбирают достаточно высоко! (десятки килогерц), то габариты элементов фильтра не слишком велики.

В приведенной последовательной схеме стабилизатора выходное на пряжение принципиально меньше входного, и такие стабилизаторы назы вают п о н и ж а ю щ и м и .

Импульсный параллельный стабилизатор содержит силовой транзг стор Т, подключенный через блокирующий диод Д параллельно нагрузке запасающий энергию дроссель присоединен непосредственно к источник^ питания (рис. 13.23,а).

Рис. 13.23. Схема силовой части параллельного (повышающего) стабилизатора (а) и

кривая выходного напряжения (б)

При открытом транзисторе Т входной ток проходит через него и на капливающий энергию дроссель L . Диод Д при этом закрыт за счет на­ пряжения на нагрузке, что предотвращает разряд конденсатора через от­ крытый транзистор. В следующий интервал, когда регулирующий транзи­ стор закрыт, диод Д открывается и разрядный ток индуктивности подзаря­ жает конденсатор, повышая напряжение нагрузки, которое становий я

схемах кратность невелика (К и «2...3) и снижается при увеличении тока нагрузки. В данной схеме дроссель L не является элементом фильтра, что приводит к значительному уровню пульсаций.

Схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения (ста­ билизаторов) различаются построением управляющих устройств, модуля­ торов, силовой части и сглаживающих фильтров.

И н в е р т о р ы представляют собой устройства, преобразующие по­ стоянное напряжение питающей сети в переменное напряжение с постоян­ ной или регулируемой частотой. По числу фаз выходного напряжения ин­ верторы подразделяются на одно- и трехфазные. Преобразование постоян­ ного напряжения в переменное может быть осуществлено различными способами с использованием силовых транзисторов или тиристоров. Ин­ верторы строят по принципам однотактного (энергия передается в нагруз­ ку в течение одной части периода) или двухтактного преобразования. В соответствии со способом получения выходного переменного сигнала раз­ личают преобразователи с самовозбуждением (автогенераторы) и прину­ дительным возбуждением (усилители мощности).

Однотактный инвертор выполняется по схеме релаксационного авто­ генератора на транзисторе с положительной ОС через обмотки трансфор­ матора (рис. 13.24,а).

Рис. 13.24. Схемы однотактного (а) и двухтактного (б) автономных инверторов

При включении источника электропитания V на базу транзистора Т| через резистор R\ поступает отпирающее напряжение. Ток открытого тран­ зистора, проходящий через первичную обмотку трансформатора (Тр), включенного в коллекторную цепь, создает магнитный поток Ф. Нараста­ ние тока и магнитного потока вызывает напряжение на обмотке, включен­ ной в базовую цепь таким образом, что она способствует увеличению тока (создает эффект положительной обратной связи). При достижении насы­ щения транзистора рост тока коллектора и магнитного потока сердечника прекращается, и индуцируемое напряжение спадает до нулевого значения. Последующее уменьшение тока приводит к изменению полярности напря­ жения на базовой обмотке и лавинообразному процессу запирания транзи­ стора. Затем процесс отпирания транзистора повторяется, и выходное на­ пряжение и2 имеет форму прямоугольных импульсов, длительность кото­ рых зависит от параметров схемы.

Однотактная схема нерациональна вследствие однополярных им­ пульсов тока в обмотке трансформатора, которые приводят к подмагничиванию и уменьшению эквивалентной индуктивности.

Двухтактный преобразователь выполняется по симметричной схеме на транзисторах Ti и Т2, к коллекторам которых подключены секции пер­ вичной обмотки трансформатора (рис. 13.24,6). Глубокая положительна) обратная связь реализуется посредством дополнительных обмоток, вклю ченных в базовые цепи транзисторов. Источник входного постоянного на пряжения подключается к среднему выводу первичной обмотки трансфер матора и эмиттерам транзисторов (общей точке схемы).

При включении источника питания вследствие неидентичности па раметров ток одного из транзисторов больше, чем второго. Обмотки оС ратной связи подключены таким образом, что поддерживают нарастани преобладающего тока до состояния насыщения транзистора. Переключе ние транзисторов начинается при достижении насыщения сердечника трансформатора, когда напряжения на обмотках уменьшаются и затем из меняют полярность. Глубокое насыщение сердечника трансформатора \ большие токи транзисторов приводят к увеличению потерь энергии в пре образователе. Для предотвращения насыщения трансформатора в цепь 0( вводят дополнительные элементы (дроссель, переключающий трансформа­ тор), которые управляют работой транзисторов.

Основным условием надежной работы автогенераторных преобразо вателей является обеспечение надежного запуска при включении электро питания. В ряде устройств применяют дополнительные цепи запуска.

Для инверторов с большой выходной мощностью используются ра личные структуры с независимым возбуждением на основе силовых тран­ зисторов или тиристоров. В состав преобразователя входят два блока: уси литель мощности (УМ) и задающий генератор (ЗГ), который управляй процессом переключения силовых элементов усилителя (рис. 13.25,а).

Рис. 13.25. Структура инвертора с зависимым возбуждением (а) и схема двухтактно о

преобразователя (б)

Двухтактные транзисторные усилители с выходным трансформато­ ром являются основными схемами низковольтных преобразователей (рис. 13.25,6).

Напряжение управления вырабатывается задающим генератором им­ пульсов (например, мультивибратором с парафазным каскадом на выходе). Под действием входного напряжения управления в первый полупериод один из транзисторов открыт (находится в состоянии насыщения), а второй закрыт. Во второй полупериод управляющего напряжения транзисторы пе­ реключаются. В результате на выходной обмотке трансформатора форми-

руется переменное напряжение, по форме близкое к меандру (последова­ тельности прямоугольных импульсов с равной длительностью импульса и паузы).

Достоинствами инверторов с задающим генератором являются воз­ можность управления частотой преобразования и ее независимость от уровня постоянного напряжения питания и нагрузки. Выходная мощность задающего генератора должна обеспечить режим переключения силовых транзисторных ключей, в качестве которых для увеличения коэффициента передачи тока часто используют составные транзисторы. Во входной цепи управления силовыми транзисторами в ряде случаев применяют управ­ ляющий трансформатор.

К недостаткам рассмотренного двухтактного усилителя следует от­ нести наличие трансформатора со средней точкой. При этом ток в каждой секции обмотки проходит только в течение полупериода. Кроме того, к за­ крытому транзистору приложено удвоенное напряжение электропитания.

В преобразователях повышенной мощности применяются инверто­ ры, выполненные по мостовой схеме (рис. 13.26).

Рис. 13.26. Мостовая схема инвертора на транзисторах

Сигналы управления поочередно подаются на пары транзисторов, составляющих мостовую схему. В первый полупериод под действием сиг­ нала иу\ открыты транзисторы Т* и Т4, а через половину периода состояние транзисторов изменяется на противоположное, и ток в первичной обмотке трансформатора изменяет свое направление.

Мостовая схема обеспечивает значительно лучшее использование трансформатора, чем двухтактный усилитель с отводом от средней точки трансформатора. Это достигается за счет удвоения числа силовых транзи­ сторов и усложнения схемы выходного каскада задающего генератора.

В современных инверторах широко применяются мощные силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, управление ко­ торыми осуществляют непосредственно с выходов цифровых логических схем, что позволяет повысить гибкость управления. Инверторы на транзи­ сторах работают при частотах коммутации до сотен килогерц.

Для преобразования постоянного напряжения большой мощности Используются тиристорные инверторы с импульсным управлением.

Мостовая схема автономного инвертора содержит четыре управляе­ мых тиристора Ti —Т4 и источник постоянного напряжения V, подключен ный к диагонали моста через дроссель L и резистивно-емкостную нагрузк\ ДС(рис.13.27,о).

Рис. 13.27. Автономный инвертор (а) и диаграммы работы (б)

Индуктивность дросселя L выбирают настолько большой, чтобы коммутации в схеме не оказывали существенного влияния на постоянный входной ток /о. Устройство управления (УУ) формирует импульсы тока

и /у2, открывающие поочередно через половину периода пары тиристоров. Управляющий импульс /у1 отпирает тиристоры Т\ и Т4, создавая для тока

путь от источника через Ть нагрузку от зажима 1 к зажиму 2 и Т4. Ток zH- / 0 создает нарастающее по экспоненте выходное напряжение u2(t)

(рис. 13.27,6). Через полупериод при t~ T /2 формируется импульс тока / 2,

открывающий тиристоры Т2 и Т3, что приводит к изменению направления тока нагрузки /н = —/0. При этом тиристоры Tj и Т4 запираются, так как к ним приложено обратное напряжение, равное напряжению на конденсато­ ре. Отрицательный ток нагрузки формирует на интервале T /2 < t< T спа­ дающее выходное напряжение.

Таким образом, форма тока в диагонали моста близка к меандру. Выходное напряжение напоминает релаксационные колебания, т. е. по форме существенно отличается от синусоиды. Для ее исправления приме­ няют специальные меры (фильтрацию, формирование по участкам).

С помощью тиристоров можно построить инверторы, позволяющие получить на выходе трехфазную систему напряжений.

13.4. Силовое оборудование и источники электропитания

Силовое энергетическое оборудование представляет собой совокуп­ ность относительно мощных электронных устройств, предназначенных дня преобразования вида и параметров напряжения (тока) с целью получения свойств, необходимых при работе в составе контрольно-измерительные управляющих, вычислительных и других систем.

•виду входной электроэнергии (сеть переменного тока одноили трехфазная, сеть постоянного тока, автономные источники);

•выходной мощности (микромощные Р2< 1 Вт, малой / >2== 1_ЮВт. средней Р2- 10... 100Вт, повышенной Р2=\00..Л000Вт и большой Р2> 1 кВт мощности);

•виду и уровню выходного напряжения (переменное или посто­

• числу выходов, уровню пульсаций и другим признакам.

В ИВЭП входят различные функциональные блоки, состав которых определяется назначением и предъявляемыми требованиями, в том числе:

•характеристиками входной электроэнергии - номинальным на пряжением Uc питающей сети и его допустимыми отклонениями

±AUс участотой и числом фаз сети переменного тока;

•электрическими параметрами выходных величин —номинальными значениями напряжений и их допустимыми изменениями, сум­ марной нестабильностью напряжения, номинальным током нагруз­ ки и его отклонениями, уровнем пульсаций;

•эксплуатационными показателями - коэффициентом полезного действия, надежностью, работоспособностью в условиях внешних воздействий окружающей среды;

•конструктивно-технологическими параметрами - массой, габарит­ ными размерами, способом охлаждения.

Степень важности отдельных показателей зависит от назначения и условий эксплуатации конкретного электронного устройства. Например, для электропитания цифровых устройств допустимый уровень пульсации не должен быть более 1%, тогда как аналоговые преобразователи требуют, чтобы этот показатель не превышал 0,1%. Основным показателем для большинства ИВЭП служит КПД, который в основном определяется мощ­ ностью тепловых потерь и возможностью их отвода от источника при за­ данном конструктивном исполнении и условиях охлаждения. В низковолыных ИВЭП с аналоговым управлением КПД обычно составляет около 50 0 о, а для устройств с импульсным регулированием может достигать 95... 98 °/

Типовой промышленный блок электропитания или начальный вари­ ант структуры и параметров его элементов выбирают на основе анализа технических требований. Минимальная структура нестабилизированного источника электропитания (рис. 13.28) включает трансформатор (Тр), вы­ прямитель (В) и сглаживающий фильтр (Ф). Трансформатор на входе ИВЭП снижает напряжение питающей электросети до требуемого значе­ ния напряжения и должен быть рассчитан на заданную мощность при стандартной частоте электросети.

Улучшение параметров ИВЭП можно обеспечить за счет введения дополнительного преобразования входного сигнала, стабилизации выход ного напряжения и других приемов, усложняющих структурную схему и увеличивающих аппаратные затраты.

Для конкретного источника электропитания, удовлетворяющего тех­ ническим требованиям, возможны различные варианты построения в зави­ симости от выбранной элементной базы. Габаритные размеры источника питания определяются в основном размерами силового трансформатора и дросселя фильтра. Уменьшение размеров трансформатора заданной мощ ности возможно только путем увеличения частоты подводимого к нему напряжения и ИВЭП, работающих от промышленной сети /=50Гц по схеме без входного трансформатора (рис. 13.30).

Напряжение сети Щ подается на вход мостового выпрямителя без предварительной трансформации. Выпрямленное высокое напряжение С,=250.. .300В поступает на автономный инвертор (Инв), преобразующий напряжение (/, в последовательность прямоугольных импульсов с часто­ той несколько десятков килогерц. Переменное напряжение ип повышен­ ной частоты преобразуется к необходимому уровню трансформатором, имеющим небольшие габаритные размеры. Полученное на выходе транс­ форматора напряжение выпрямляется с помощью двухполупериодной схемы, сглаживается ГС-фильтром и поступает на вход компенсационного стабилизатора. Схема источника окажется эффективной только при КПД инвертора, достаточно близком к единице.

Развитие техники управления и полупроводниковой технологии при­ вело к преимущественному использованию экономичных импульсных ста билизаторов постоянного напряжения. Малое потребление тока по цени управления в совокупности с высоким КПД импульсного регулятора по­ зволяет создать широкий спектр источников для различных областей при­ менения.

Питающиеся от промышленной сети переменного тока ИВЭП с им­ пульсными стабилизаторами строят преимущественно по схеме с бестрансформаторным входом (рис. 13.31). Напряжение промышленной сети щ выпрямляется диодным мостом ДР...,Д2 и сглаживается конденсатором Ci. Полученное высокое постоянное нестабилизированное напряжение