Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
Рис. 48. Упрощенная схема мостового преобразователя
Мостовая схема предназначена для построения сетевых источников
питания большой мощности, основной ёе недостаток – сложность управ-
ления, для решения этой задачи необходимо применять специализирован-
ные интегральные контроллеры.
Резонансные преобразователи
Очевидное стремление уменьшить габаритные размеры источников
питания путем увеличения рабочих частот преобразователей наталкивает-
ся на определенные трудности, связанные с увеличением потерь при пере-
ключении. Один из путей решения этой проблемы состоит в том, чтобы
использовать один из вариантов схемотехники так называемого резонанс-
ного (квазирезонансного) преобразователя. Использование резонансной
схемы, состоящей из емкости и индуктивности, делает напряжение на
ключе или ток через ключ равными нулю прежде, чем ключ перейдет
в состояние ОТКРЫТО или ЗАКРЫТО, что существенно снижает потери,
возникающие при переключении. Соответствующие схемы, представлен-
ные на рис. 49, получили название ключей с переключением при нулевом
токе (ZCS – Zero Current Switch) или нулевом напряжении (ZVS – Zero
Voltage Switch) [5].
Схемы ZCS и ZVS выпускаются в виде самостоятельных приборов,
используемых, например, для управления тиристорами или симисторами,
и используются как составные части резонансных преобразователей и кор-
71
ректоров мощности. Это устраняет большинство потерь переключения
и может устранять потери, обусловленные емкостью ключа или потерями
индуктивности рассеивания.
а б
Рис. 49. Схемы силовых ключей для резонансных преобразователей:
а – переключение при нулевом токе; б – переключение при нулевом напряжении
Упрощенное схемное решение резонансного преобразователя, рабо-
тающего при нулевом токе переключения, показано на рис. 50 [5]. Эта
схема является измененной версией прямоходового преобразователя, где
простой транзисторный ключ заменен резонансным ключом, состоящим
из компонентов Q1, D1, LR и CR. Заметим, что в качестве резонансной ин-
дуктивности LR может использоваться индуктивность рассеивания транс-
форматора.
Рис. 50. Схема иллюстрации работы резонансного преобразователя
Первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течет через диод
D3 и выходной дроссель LО в нагрузку. Энергия черпается от магнитного
поля в дросселе LО. В некоторый момент времени, определяемый схемой
управления, ключ Q1 открывается. Ток в индуктивности LR начинает уве-
личиваться, и, так как этот ток вызывает ток во вторичной обмотке транс-
форматора, ток через диод D3 начинает уменьшаться, а через диод D2
увеличиваться. Когда ток в дросселе LO будет полностью определяться
72
током через диод D2, напряжение на вторичной обмотке трансформатора
начнет повышаться. Это повышение и последующее понижение происхо-
дят по синусоидальному закону, потому что LR и CR образуют резонанс-
ную схему. В это время ток в индуктивности LR увеличивается до макси-
мального значения и уменьшается до нуля также по синусоидальному за-
кону. В тот момент, когда ключ Q1 закрывается, диод D1 предотвращает
обратный ток через Q1, который был бы иначе вызван продолжающимся
резонансным процессом в LR и CR.
Когда ток в LR становится равным нулю, выходной ток течет через
дроссель LO, диод D2 и емкость CR. Емкость CR быстро разряжается, и то-
гда выходной ток снова начинает протекать через D3 и L
. На этом один
O
резонансный цикл заканчивается и с открывания ключа Q1 начинается
следующий цикл. Так как транзистор открывается при токе, равном нулю,
потери на переключение снижаются. В связи с тем, что передача тока от
диода D2 к D3 и наоборот замедлена присутствием индуктивности L
R
и емкости CR, снижение потерь переключения также наблюдается и в этих
компонентах.
Время от момента включения до момента выключения транзистора
определяется собственной частотой резонансной схемы, выходное напря-
жение может управляться только изменением времени нахождения тран-
зистора в закрытом состоянии и, следовательно, изменением частоты пе-
реключения схемы.
Наличие синусоидальных токов в системе означает увеличение пико-
вых значений токов, которые будут увеличивать потери проводимости от-
носительно схемы эквивалентного источника питания с прямоугольными
колебаниями.
Корректоры коэффициента мощности
В 80-е гг. ХХ в. за рубежом стало использоваться много микросхем
так называемых контроллеров (или корректоров) коэффициента мощности
(ККМ). Эти микросхемы используются в импульсных источниках питания
73
и предназначены для решения проблем электромагнитной совместимости
устройств с питанием от сети переменного тока. Стандарт МЭК IEC 1000-
3-2 (более ранний IEC 555-2) предъявляет жесткие требования к потреби-
телям энергии по коэффициенту мощности и гармоническому составу по-
требляемого тока. Государственные стандарты нашей страны постоянно
приводятся в соответствие со стандартами МЭК, поэтому задача улучше-
ния качества потребляемой мощности становится весьма актуальной и для
отечественных источников питания.
Коэффициент мощности (отношение активной составляющей мощ-
ности к суммарной мощности) имеет низкое значение для схем с ярко вы-
раженной реактивной нагрузкой: светильники с лампами дневного света
и балластным дросселем, электродвигатели и т. д. Большинство источни-
ков питания и полупроводниковых балластов до последнего времени ис-
пользовали на входе мостовой выпрямитель и фильтрующий конденсатор
(рис. 51).
Рис. 51. Процессы в традиционной схеме питания
Потребляемый от сети ток в этом случае имеет импульсный (не сину-
соидальный) характер, что приводит к значительному увеличению содер-
жания высших гармоник в токе и снижению коэффициента мощности, ко-
торый составляет 0,5...0,7 [5]. Он может быть значительно увеличен с по-
мощью дополнительных пассивных цепей с реактивными элементами
и выпрямителями, работающими на сетевой частоте, однако для мало-
мощных устройств этот способ нецелесообразен.
74
Возможность создания дешевого и экономичного корректора коэф-
фициента мощности обеспечена высоким уровнем современного развития
импульсных стабилизаторов.
Между сетевым выпрямителем и выходным преобразователем вклю-
чается буферное устройство, формирующее синусоидальный входной ток
и выполненное по схеме повышающего преобразователя (рис. 52).
Рис. 52. Функциональная схема и принцип работы
активного корректора коэффициента мощности
Формировать кривую входного тока можно с помощью двух датчи-
ков: датчика тока дросселя и датчика выпрямленного напряжения. В при-
веденной схеме ключ открывается при нуле на входе датчика тока, а за-
крывается при равенстве выходного сигнала датчика тока (VДТ) и датчика
выпрямленного напряжения (V
). В каждом цикле ток имеет треуголь-
ДВН
ную форму, а его усредненное за период сетевого напряжения значение
пропорционально среднему выпрямленному напряжению.
В реальных схемах используется более сложная структура (рис. 53),
которая устраняет зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.
75
При этом в схеме появляется блок умножителя сигналов, характерный
только для ККМ.
Данная схема позволяет получать коэффициент мощности свыше
0,99 вплоть до мощностей 300 Вт. При больших мощностях используются
дополнительные схемные решения.
Рис. 53. Структурная схема контроллера коэффициента мощности
Многие фирмы (Micro Linear, Infineon Technologies и др.) выпускают
комбинированные микросхемы, объединяющие в одном корпусе ККМ
и ШИМ-контроллер для получения законченного источника питания.
Интегральные ШИМ-контроллеры
В последнее время на рынке полупроводниковых приборов появи-
лись микросхемы импульсных стабилизаторов со встроенным высоко-
вольтным ключевым МОП-транзистором для использования в сетевых ис-
точниках питания. Это – сложные ШИМ-контроллеры с полным набором
защитных функций, позволяющие реализовать однотактный прямоходо-
вой или обратноходовой преобразователь с гальванической развязкой вы-
хода. Ниже в табл. 4 приведена сравнительная характеристика подобных
приборов, выпускаемых разными фирмами [5].
Каждая фирма выпускает целое семейство микросхем с выходной
мощностью построенного на их основе источника питания до 200 Вт.
76
Таблица 4
Частота,
женного
запуска,
рованные
Фикс.
67 %
Фикс.
67 %
Фикс.
67 %
DIP-8,14
ON
Фикс.
DIP-8,
ТО-220-3,
Задает-
Power SO-10,
Сравнение характеристик высоковольтных ШИМ-стабилизаторов
Фирма Серия
KAIHxxx
Fairchild
Infineon
Technologies
KAILxxx
KAIMxх
TDA1683x
кГц
100
50
70
Фикс.
100
Рабочий
цикл
(max)
(max)
(max)
48 %
(max)
Порог
пони-
напря-
жения,
В
10 15 нет TO-220F-4
10 15 нет TO-220F-4
10 15 нет TO-220F-4
9 12 есть
Напря-
жение
В
Норми-
парамет-
Корпус
ры ла-
винного
пробоя
DIP-14,
DIP-20,
DSO-20,
ТО-220-7
semiconductor
Power
Integrations
ST
Microelectronics
MC3337xx
TOPxxx
VIPerxxx
100
Фикс.
100
ся RС-
цепью
1,7...67 % 4,7 5.7 нет
1,7...67 % 4,7 5.7 нет
0...90 % 8 11 есть
TO-220-5
DIP-8,
SMD-8,
DIP-8
DIP-8,
PENTAWATT
Одной из главных тенденций развития источников питания является
увеличение удельной мощности (выходная мощность единицы объема ис-
точника питания). Удельная мощность источников питания, выполненных
на линейных компонентах, достигает 30 Вт/дм3. К середине 80-х гг. с по-
мощью использования импульсных технологий это значение удалось под-
нять до 180 Вт/дм3, а удельная мощность недавних изделий достигает
1000 Вт/дм3. Удельная мощность изделий, выполненных по новейшим
технологиям, достигает 2300 Вт/дм3.
77
Эти впечатляющие результаты были достигнуты с помощью комби-
нации различных методов:
• повышения частоты переключения, что позволяет уменьшить разме-
ры элементов, сохраняющих энергию, типа катушек индуктивности и кон-
денсаторов. Размеры трансформаторов и фильтров также уменьшаются
с увеличением частоты переключения;
• использования технологии поверхностного монтажа и современ-
ных материалов подложек типа толстых пленок, керамических гибридных
материалов и IMS (изолированных металлических подложек). Компонен-
ты, предназначенные для технологии поверхностного монтажа, значи-
тельно меньше по размерам, чем их варианты для монтажа в отверстия;
использование новых типов подложек решает проблемы отвода тепла от
источников высокой температуры;
• улучшения качества компонентов, например использования кон-
денсаторов, имеющих лучшие значения удельной емкости, использования
в качестве ключей полевых транзисторов вместо биполярных и использо-
вания новейших ферритовых материалов, подходящих для работы на вы-
соких частотах.
Рис. 54. Типовая схема включения ШИМ-контроллера МС3337хх
78
В качестве примера реализации сетевого ИВЭ на базе современного
ШИМ-контроллера на рис. 54 приведена типовая схема включения микро-
схем серии МС3337хх фирмы ON Semiconductor.
Контрольные вопросы
1. Поясните функциональное назначение сетевого фильтра в структурной схеме
ИВЭ.
2. Поясните функциональное назначение выпрямителя в структурной схеме ИВЭ.
3. Из каких функциональных блоков может состоять выпрямитель?
4. Что такое коэффициент трансформации?
5. Какова величина коэффициента трансформации понижающего и повышаю-
щего трансформаторов?
6. Назовите причины снижения КПД маломощного силового трансформатора.
7. Какую функцию выполняет выпрямитель?
8. Поясните назначение блоков структурной схемы выпрямителя.
9. Что такое коэффициент пульсаций, чему равно его значение для рассмотрен-
ных схем выпрямителей?
10. От чего зависит амплитуда напряжения пульсаций на выходе выпрямителя?
11. Что такое коэффициент сглаживания?
12. При каких условиях применение RC-фильтров является целесообразным?
13. В чем состоит преимущество LC-фильтров?
14. Перечислите основные параметры стабилизаторов напряжения.
15. Что такое коэффициент стабилизации?
16. Поясните принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения
последовательного типа.
17. Поясните принцип работы понижающего преобразователя напряжения.
18. Поясните принцип работы повышающего преобразователя напряжения.
19. Поясните принцип работы инвертирующего преобразователя напряжения.
20. Поясните принцип работы импульсного ИВЭ с обратноходовым преобразо-
вателем.
21. Поясните принцип работы двухтактного преобразователя с параллельным
питанием.
22. Что такое корректор коэффициента мощности?
79
2. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Особым видом источников питания являются химические источники
тока (ХИТ). Они являются первичными источниками электропитания
и незаменимы в устройствах и системах, требующих полностью автономно-
го питания или дополнительного резервного источника с минимальным
временем выхода в номинальный режим эксплуатации.
Сегодня наблюдается особенно бурное развитие ХИТ, предназначен-
ных для носимых устройств, электромобилей и систем накопления энер-
гии в альтернативной энергетике. По этой причине целью разработчиков
новых типов ХИТ становится повышение удельных характеристик (емко-
сти, мощности и энергии), увеличение долговечности и сокращение затрат
на обслуживание ХИТ.
2.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Из множества областей применения ХИТ можно выделить несколько
основных:
– портативные приборы и бытовая техника;
– транспорт;
– космическая и военная техника;
– энергетика.
Наиболее массово ХИТ применяются в сфере портативных и быто-
вых приборов. Здесь применяются источники тока относительно малой
и средней энергии 1–100 Вт·ч и низкой мощности 0,1–1000 Вт, которые
способны работать и транспортироваться в любом положении и требуют
минимального ухода.
80