Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
составляющей питающего напряжения относительно его номинального
значения.
Параметры выходной электроэнергии системы вторичного электропитания являются параметрами выходной электроэнергии источников
(первичного и вторичного питания) и функциональных узлов, выполняющих одну или несколько определенных электрических функций
(выпрямление, фильтрацию, регулирование и т. д.).
Таким образом, для обеспечения на выходе линейного источника
вторичного электропитания
параметров (характеристик), удовлетворяющих требованиям нагрузки во всех эксплуатационных режимах, необходимо учитывать следующие основные положения:
тщательное обоснование выбора структурной схемы;
обоснованный выбор функциональных узлов источника с доста-
точно большим ресурсом предельных режимов и параметров;
согласование необходимых устройств защиты, которые не участ-
вуют в работе ИВЭП, но обеспечивают повышение надежности: защита
силовых элементов (диодов, тиристоров и др.); а также защита источника питания от КЗ или полного отключения нагрузки;
защиту от возможных повышений или понижений питающих
напряжений;
защиту нагрузки от возможных повышений или понижений вы-
ходных напряжений;
защиту от повышения температуры окружающей среды.
1.3. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Структурная схема вторичного источника электропитания определяется входными и выходными параметрами. Характерная особенность
типовых структурных схем линейных источников вторичного электропитания – трансформатор на входе источника электропитания, который
рассчитывается на частоту тока системы электроснабжения. Такие
схемы используются при малой мощности, поскольку трансформатор
при работе на частоте тока сети имеет завышенные габаритные размеры
и массу.
11
Для нормальной работы нагрузки при различных внешних воздействиях система вторичного электропитания, кроме самого линейного
ИВЭП, как правило, содержит в своем составе совокупность функционально связанных с источником питания устройств, основные функциональные узлы, обеспечивающие преобразование напряжения первичного источника, и функциональные узлы, которые улучшают характеристики линейного источника питания и
обеспечивают безопасность
его эксплуатации (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема системы
линейного ИВЭП
Основными функциональными блоками обобщенной структуры системы линейного источника электропитания являются: силовой трансформатор СТ, блок выпрямления БВ, фильтр низкой частоты ФНЧ и стабилизатор напряжения СН.
Рассмотрим элементную базу обобщенной структурной схемы линейного источника электропитания.
Предохранители. Предохранители Пр1 и Пр2 выполняют функцию
защиты источника питания и подключенной к нему
нагрузки от токов
перегрузки, порождаемых как неисправностью или выходом из строя
какого-либо функционального узла источника питания, так и нагрузкой.
Гаситель переходных процессов. Гаситель ГПП переходных процес-
сов представляет собой устройство, работающее как двухсторонний высоковольтный стабилитрон, обеспечивает гашение опасных импульсов
тока в десятки и сотни ампер [1].
Фильтры. В линейном
источнике вторичного электропитания в качестве помехоподавляющего ФПП фильтра применяют простой линейный LC-фильтр, который препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях источника питания. Как правило, такие фильтры рассчитаны на ток величиной в несколько ампер и подавление помех порядка
десятков
децибел [1–3]. Помехоподавляющий фильтр ФПП выполняет
две функции: во-первых, защищает сеть от помех, создаваемых самим
12
линейным источником электропитания; во-вторых, защищает линейный источник электропитания от помех, создаваемых питающей сетью.
Помехоподавляющий фильтр ФПП и гаситель переходных процессов ГПП действенно (эффективно) противостоят возникающим в питающей сети переменного тока перенапряжениям [1–3].
Низкочастотный сглаживающий фильтр ФНЧС, как правило, представляет собой простой RC-фильтр низкой частоты с частотой
среза порядка единиц герц, предназначенный для подавления пульсаций постоянного тока.
Стабилизаторы. Стабилизатор переменного напряжения СН1 выполняет функцию стабилизации переменного напряжения, и его включают до или после трансформатора. Следует отметить, что на практике
стабилизаторы переменного напряжения в линейных источниках вторичного электропитания применяются крайне редко [1–3].
Стабилизатор напряжения
СН2 выполняет функцию стабилизации
постоянного выходного напряжения, и его устанавливают, как правило,
после фильтра. В линейных источниках вторичного электропитания,
как правило, применяют параметрические стабилизаторы, представляющие собой разомкнутую систему автоматического регулирования, или
компенсационные стабилизаторы, представляющие собой замкнутую
систему автоматического регулирования.
Силовой трансформатор. В большинстве своем источники линей-
ного электропитания содержат один
или несколько силовых трансформаторов СТ, которые решают две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между
питающей сетью и нагрузкой.
Блок выпрямления. Блок выпрямления БВ содержит нерегулируемые
или регулируемые выпрямители, выполняемые на полупроводниковых
приборах: диодах, тиристорах или транзисторах.
Структурные схемы линейных источников вторичного электропитания состоят
из функциональных узлов, определяющих формирование
вторичного электропитания для аппаратуры (нагрузки), при питании от
сети электроснабжения общего назначения (электрические сети переменного напряжения однофазного или трехфазного тока).
13
По типу формирования вторичного электропитания для нагрузки такие источники питания разделяют на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.
Структурные схемы линейных ИВЭП с нерегулируемым (неуправляемым) выпрямителем показаны на рис. 1.3.
а
б
Рис. 1.3. Структурные схемы линейного ИВЭП
с нерегулируемым выпрямителем
Структурная схема нерегулируемого линейного ИВЭП (рис. 1.3, а)
содержит силовой трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку питающей сети и нагрузки и преобразует переменное
напряжение сети в требуемое значение напряжения; нерегулируемый
выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в пульсирующее; фильтр низкочастотный, который сглаживает пульсации напряжения до допустимого уровня. Схема нерегулируемого линейного ИВЭП
применяется
в тех случаях, когда требования к удельной мощности
и качеству выходных напряжений невысокие.
Нерегулируемый выпрямитель, входящий в состав структурной
схемы (рис. 1.3, а), является нестабилизирующим функциональным узлом, поэтому напряжение на его выходе зависит от колебаний питающего напряжения (первичного источника электропитания) и изменения тока нагрузки. Нагрузка в нестабилизированных линейных
ИВЭП
подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты.
Электрическую изоляцию цепи нагрузки выпрямителя от питающей
сети переменного тока, что в ряде случаев является обязательным для
нормального функционирования аппаратуры, обеспечивает силовой
трансформатор.
Линейные источники питания, в состав которых входит нерегулируемый выпрямитель, классифицируют как нерегулируемые линейные
ИВЭП.
14
В тех случаях, когда для обеспечения нормальной работы аппаратуры требуется обеспечить более высокую стабильность питающих
напряжений в сравнении со стабильностью сети переменного тока,
структурную схему линейного ИВЭП дополняют стабилизирующими
устройствами. Стабилизирующие устройства могут быть включены на
входе или выходе нерегулируемого выпрямителя. На рис. 1.3, б показана структурная схема нерегулируемого линейного
ИВЭП со стабилизатором напряжения. В качестве стабилизатора напряжения используются непрерывные (линейные) стабилизаторы постоянного напряжения.
Стабилизирующие линейные источники электропитания обеспечивают
постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии, например, изменений входного напряжения, входного тока и др.
Линейные стабилизаторы напряжения обладают следующими отли-
чительными особенностями: а) их выходное напряжение
всегда ниже
нестабилизированного входного напряжения; б) выходное напряжение
всегда имеет одинаковую полярность со входным напряжением; в) стабилизатор непрерывно рассеивает мощность.
Удельная мощность нерегулируемого линейного ИВЭП со стабилизатором (рис. 1.3, б) невелика, что обусловлено наличием силового
трансформатора, работающего на частоте сети, а также необходимостью использования стабилизатора.
В случае, когда для
нормальной работы аппаратуры требуется изменять выходное напряжение линейного ИВЭП, используется структурная схема с регулируемым выпрямителем (рис. 1.4). Для регулировки выходного напряжения применяются преимущественно тиристорные выпрямители.
В регулируемых линейных ИВЭП совмещаются функции выпрямления с регулированием и со стабилизацией выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения (рис. 1.4, а) осуществляется
изменением угла открытия силовых тиристоров. В режиме стабилизации выходного напряжения (рис. 1.4, б) управляющий сигнал формируется
контуром автоматического регулирования. Основным недостатком таких линейных ИВЭП является необходимость в периодической регулировке выходного напряжения при изменении напряжения сети.
Для улучшения параметров стабилизации выходного напряжения ли-
нейного источника вторичного электропитания применяют регулирующие
15
устройства с обратной связью. Для регулировки выходного напряжения
наиболее часто применяются тиристорные выпрямители. Причем регулирование может осуществляться со стороны постоянного напряжения
(рис. 1.4, б) или со стороны переменного напряжения (рис. 1.4, в).
а
б
в
Рис. 1.4. Структурные схемы линейного ИВЭП
с регулируемым выпрямителем
Уровень напряжения, которое формируется на выходе линейного
источника вторичного электропитания, должен поддерживаться неизменным: при изменении напряжения сети (в определенных пределах);
при изменении тока, потребляемого нагрузкой; при действии других дестабилизирующих факторов. Необходимость в периодической регулировке выходного напряжения при изменении напряжения сети является
основным недостатком такого линейного ИВЭП.
16
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ЛИНЕЙНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Один из основных функциональных узлов системы линейного источника вторичного электропитания – это блок выпрямления (выпрямитель), преобразующий переменное напряжение первичного источника
питания в выпрямленное (пульсирующее) напряжение. Принципиально
незаменимым элементом выпрямительного блока является только вентиль – полупроводниковый прибор с односторонней (вентильной) проводимостью. Вентили, определяющие тип выпрямительного блока (схемы
выпрямления), классифицируют на
водниковые вентили и управляемые полупроводниковые вентили.
2.1. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЕНТИЛИ
два вида: неуправляемые полупро-
Функции неуправляемых полупроводниковых вентилей для выпрямления переменного напряжения в линейных источниках вторичного электропитания выполняют германиевые и кремниевые выпрямительные полупроводниковые диоды.
Выпрямительным полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, предназначенный для выпрямления переменного тока.
Диоды, выполняющие функции неуправляемого полупроводникового ключа (вентиля) с односторонней проводимостью
роком диапазоне напряжения (от долей вольта до десятков и сотен
17
, работают в ши-
киловольт) и токов (от единиц микроампер до сотен ампер). Частотный
диапазон выпрямленных переменных напряжений зависит от промышленной частоты в источниках вторичного электропитания
Характеристики и параметры выпрямительных
полупроводниковых диодов
Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного полупроводникового диода, связывающая значения тока, протекающего через
диод, и приложенного к нему напряжения, показана на рис. 2.1. Расположенная в первом квадранте ВАХ диода ветвь (рис. 2.1) соответствует
открытому состоянию диода, когда сопротивление между анодом А
и катодом К мало, – прямому включению. Закрытому состоянию диода
(рис. 2.1)
соответствует третий квадрант, когда сопротивление его
весьма велико, – обратному включению диода [3–5].
Рис. 2.1. Вольт-амперная характеристика
выпрямительного диода
При положительной разности потенциалов между анодом А и катодом К выпрямительный диод VD проводит ток в прямом направлении,
а при отрицательной разности потенциалов – ток, протекающий по выпрямительному диоду в обратном направлении, и намного меньший его
прямого тока.
Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуются статическими номинальными (средними) параметрами, динамическими параметрами и статическими предельными эксплуатационными параметрами.
18
Статические параметры выпрямительных
R
полупроводниковых диодов
Численные значения основных статических параметров, влияющих
на работу выпрямительного диода, устанавливаются по вольт-амперной
характеристике (ВАХ) (рис. 2.1).
К основным параметрам выпрямительных полупроводниковых диодов относят следующие: номинальный средний прямой ток
номинальное среднее прямое напряжение
жение
;U напряжение отсечки
пор
отс
номинальное обратное напряжение
ратного тока
;I статическое сопротивление
обр.ном
U ; пороговое напря-
пр.ср.ном
пробивное напряжение
;U
;U номинальное значение об-
обр.ном
диода [3–5].
ст
I ;
пр.ср.ном
;U
проб
Динамические параметры выпрямительного полупроводникового
диода: динамическое (дифференциальное) сопротивление силового ди-
ода
;R
скорость нарастания прямого тока
дин
/di dt
(характерно для це-
пей с емкостным характером); скорость нарастания обратного напряжения
собственной емкости р–п-перехода силового диода
/du dt
(характерно для цепей с индуктивным характером); величина
С .
бар
Основные предельные эксплуатационные параметры выпрямительного полупроводникового диода: максимально допустимый средний пря-
мой ток
пр.ср.макс
максимально допустимый ударный ток
;I максимально допустимый ток перегрузки
пр.уд.макс
стимое импульсное повторяющееся напряжение
ряющееся импульсное обратное напряжение
мое напряжение
ние выпрямительного диода
выпрямительного диода
ратное напряжение
;U дифференциальное (внутреннее) сопротивле-
пр.ср
;r динамическое сопротивление диода
диф
;r
максимально допустимое постоянное об-
дин
U [3–5].
обр.макс
обр.им.н.макс
перегр.макс
;I максимально допу-
обр.им.п.макс
;U неповто-
;U среднее пря-
;I
Эксплуатационные параметры выпрямительного полупроводникового
диода: диапазон температур окружающей среды, влажность, давление,
19
механические нагрузки – указываются в технических условиях на выпрямительный полупроводниковый прибор.
Выбор типа диода. Определяющими параметрами при выборе типа
диода по справочнику являются
I и
пр.ср.макс
ловые значения определяющих параметров
U . При этом чис-
обр.им.п.макс
I и
пр.ср.макс
U
обр.им.п.макс
должны превышать соответствующие параметры выбранной схемы выпрямления [3–5].
Для типа диода, удовлетворяющего параметрам
U , рассчитывается значение падения напряжения на внут-
и
обр.им.п.макс
реннем сопротивлении
U . Тип диода, у которого наименьшее рас-
пр.ср
I
пр.ср.макс
четное значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении
,U является предпочтительным.
пр.ср
Особенности ВАХ выпрямительных полупроводниковых диодов
А. Германиевый выпрямительный полупроводниковый диод
Прямое напряжение на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе практически в два раза меньше, чем на кремниевом
диоде. Это обусловлено меньшей высотой потенциального барьера германиевого р–п-перехода.
Падение напряжения на германиевых диодах составляет 0,2…0,5 В.
Для германиевых полупроводниковых диодов характерно наличие
обратного тока
насыщения, механизм образования которого обусловлен
процессом экстракции неосновных носителей заряда.
Плотность обратного тока в германиевых диодах существенно
больше, так как при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии на несколько порядков больше, чем
в кремнии [3–5]. Это порождает тепловой характер пробоя в германиевых диодах. Вследствие этого пробивное
напряжение с увеличением
температуры уменьшается, причем значение этого напряжения меньше
пробивных напряжений кремниевых диодов [3–5].
Тепловой пробой, происходящий при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя, является существенным недостатком германиевых диодов – они плохо выдерживают даже
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]