1

1.2. Источники питания СВТ

1.2.1. Классификация источников питания СВТ

В зависимости от характера преобразования энергии, в источнике питания выполняемого при получении на его выходе требуемого напряжения источники питания подразделяются на:

Первичные источники питания;

Вторичные источники питания.

В первичных источниках питания осуществляется преобразование не электрических видов энергии (химической, механической, световой и т.д.) в электрическую энергию. Примером первичных источников являются:

Химические источники тока (ХИТ);

Генераторы различных видов;

Солнечные батареи;

Термогенераторы;

Топливные элементы и тд.

Во вторичных источниках питания (ВИП) осуществляется преобразование электрической энергии с одними характеристиками в электрическую энергию с другими характеристиками. Вторичных источниках питания в зависимости от характера производимых преобразований электрической энергии свою очередь подразделяются на:

ВИП без преобразования частоты;

ВИП с преобразованием частоты.

1.2.2. Химические источники тока и их характеристики

Общие сведения Наибольшее применение для питания СВТ нашли химические источники тока (ХИТ). В ХИТ осуществляется преобразование химической энергии в электрическую энергию. Прямое преобразование химической энергии в электрическую основано на токообразующих реакциях. Устройство ХИТ однотипно. Это корпус, удерживающий электролит с ионной проводимостью, и два контактирующих с ним токоотвода с электронной проводимостью. Токоотводы должны быть выполнены из разнородных материалов (например, разных металлов) и обладать высокой степенью химической чистоты для предотвращения паразитных побочных реакций. В зависимости от характера протекания токообразующей реакции ХИТ подразделяются на:

первичные ХИТ;

вторичные ХИТ.

Работа первичных ХИТ основана на необратимых токообразующих реакциях, и поэтому они рассчитаны, как правило, на однократное использование. Такие ХИТ называют гальваническими элементами. Протекающие во вторичных ХИТ токообразующие реакции являются обратимы-ми и поэтому обеспечивают многократное использование. Такие ХИТ называют аккумуляторами. Прогресс техники в целом и в создании ХИТ расширяет возможности их применения. Они широко используются как в качестве малогабаритных транспортабельных, так и стационарных резервных источников электропитания СВТ. Принципы работы ХИТ. Поддержание этого тока во внешней цепи в течение длительного времени обеспечивается происходящей внутри элемента электрохимической (токообразующей) реакцией. Физики и химики объяснили причины и условия прохождения этой реакции, исходя из сложившихся традиций. Физическое объяснение токообразования, как результата действия контактной разности потенциалов. С точки зрения химии в элементе происходит растворение, т. е. окисление материала одного из электродов и восстановление (отложение слоя) другого. Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что между ними возникает ЭДС, равная: ξ=(φ+) – (φ_) где: φ+ — потенциал положительного электрода; φ_— потенциал отрицательного электрода. Последняя формула позволяет понять, почему электроды должны быть выполнены из разных материалов — только такое сочетание дает ненулевую ЭДС. Обычно элементы классифицируют по участвующим в реакции веществам, т. е. по электролиту и электродам - по так называемой электрохимической системе. Важнейшим для практики параметром элементов является, внутреннее сопротивление r. Оно зависит от электропроводности электролита, геометрии электродов (т. е. от формы, размеров, взаимного расстояния), а также от целого ряда физических явлений, таких как, например, контактные, переходные, поляризация. Обычное значение r лежит в пределах единиц—десятков ом Взаимная связь между двумя описанными параметрами определяется законом Ома для полной цепи: E=I*(RH+ r), где: E - ЭДС элемента; I — ток во внешней цепи; RH - сопротивление нагрузки; г — внутреннее сопротивление элемента. Устройство ХИТ Гальванические элементы и батареи В настоящее время в качестве первичных ХИТ для питания СВТ различного назначения используются следующие электромеханические системы: -марганцево-цинковые с солевым, хлоридным или щелочным электролитом и с воздушной деполяризацией; -никель-цинковая с щелочным электролитом; -ртутно-цинковая, ртутно-индиевая и ртутно-кадмиевая с щелочным электролитом; -серебряно-цинковая с щелочным электролитом; -литиевые с различными, в том числе органическими электролитами.

Конструкции всех элементов и батарей сводятся к двум: цилиндрической и прямоугольной. По рекомендации МЭК цилиндрические элементы и батареи имеют в обозначении: одну букву, определяющую электрохимическую систему (L — алкалическая, S - серебряно-цинковая, М или N - ртутно-цинковая и т. д.); букву R (от английского Ring - круг), определяющую форму элемента; число (от 03 до 600), условно определяющее размеры элемента. Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности, галетного типа) имеют в обозначении: одну букву F (от английского F1а1 - плоский), определяющую форму элемента; одну букву, определяющую электрохимическую систему, как у цилиндрических элементов. Аккумуляторы Аккумуляторы широко применяются для питания различной радиотехнической аппаратуры. По сравнению с гальваническими элементами аккумуляторы имеют больший срок службы, обладают большим постоянством напряжения, допускают более сильные разрядные токи, более экономичны. Аккумуляторы подразделяют на: -кислотные –щелочные

Кислотный аккумулятор (рисунок 1, а) содержит положительные пластины 4, выполненные из перекиси свинца, и отрицательные 5 — из губчатого свинца. Пластины помещены в эбонитовый или стеклянный корпус 6, наполненный электролитом, и отделены друг от друга пористой изоляционной прокладкой — сепаратором 3. Электролитом служит водный раствор серной кислоты плотностью 1,21—1,25 для работы при нормальных температурах и плотностью 1,3—1,35 при низких (от —20 до —30° С) температурах. Обозначения. Первая цифра в обозначении аккумуляторной батареи (например, 3СТ-60) указывает, из скольких последовательно соединенных аккумуляторов состоит батарея. Число после букв обозначает номинальную емкость в ампер-часах. Буквы соответствуют назначению аккумулятора: С — стационарный, СП — стационарный с панцирными пластинами, СТ — стартерный, РА — радиоанодиый, РН — радионакальный, МТ — мотоциклетный. Материал сосуда и сепараторов обозначают буквами: Э — эбонит, П — пластмасса, Д — дерево, Л1—мипласт, С — стекловойлок.

Соединение ХИТ Для получения напряжений, превышающих ЭДС элемента, применяют батареи Батареи могут состоять: -из последовательно соединенных элементов. -из параллельно соединенных элементов -смешанного соединения элементов Наилучшие условия отбора мощности от таких батарей - использование одинаковых элементов. Тогда при последовательно соединенных n одинаковых элементов параметры эквивалентной батареи определятся по следующим формулам: Как видно из формул, батарея из n последовательно соединенных элементов обладает в n раз большей ЭДС, но и во столько, же раз большим внутренним сопротивле- нием. Это ограничивает возможности создания больших токов разряда во внешней цепи. Для больших токов используют параллельное соединение элементов. Для n одинаковых элементов, соединенных параллельно, параметры эквивалентной батареи определятся по следующим формулам: Разумеется, что ЭДС батареи из параллельно соединенных элементов остается без изменений, а внутреннее сопротивление — в n раз меньше. Одновременное получение повышенных напряжений и токов разряда осуществ- ляется путем смешанного соединения элементов. Параметры ХИТ Важнейшим параметром является емкость элемента, т. е. способность удерживать в себе некоторое количество электричества (иными словами, электрический заряд). Емкость по току характеризует заряд, отдаваемый во внешнюю цепь при постоянном токе нагрузки, и связана с током разряда простой зависимостью Q =I*t0 где: Q — емкость, А • ч; I — фиксированный ток, А или мА; t0— время разряда до момента, когда дальнейший разряд невозможен, ч. Предельно допустимый разрядный ток – это максимальный ток, который может отдавать в электрическую цепь ХИТ длительное время без механического разрушения. Напряжение ХИТ –это напряжение на выводах ХИТ при отсутствии подключения внешней цепи. К важнейшим параметрам относятся отбираемая от ХИТ полезная мощность, а также КПД. Полезная мощность определяется как мощность, выделяющаяся на внешней нагрузке Rн РП=I *U = I2*RН Суммарная электрическая мощность элемента Р= I2* (RН+r) С помощью введенных понятий легко определить КПД как отношение полезной мощности к суммарной:

1.2.3. Структурные схемы ВИП их достоинства и недостатки

В настоящее время для построения вторичных источников питания (ВИП) СВТ используется две основные схемы. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки, и соответственно свою область применения. ВИП без преобразования частоты. ВИП без преобразования частоты исторически появились раньше и широко использовались на начальном этапе развития СВТ, в настоящее время их применение ограничено. Структурная схема ВИП без преобразования частоты представлена на рисунок9. И содержит следующие основные элементы:

Сетевой трансформатор TV1 - во-первых, обеспечивает преобразование сетевого напряжения (~220В, 50Гц) до нужной величины, во-вторых, обеспечивает гальваническую развязку сети и оборудования СВТ, обеспечивая тем самым выполнение требований электробезопасности;

Выпрямитель – преобразует поступающее на вход переменное напряжение частотой 50Гц в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную так и постоянную составляющую;

Фильтр – обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

простейших элементов СВТ. ВИП с преобразованием частоты. ВИП с преобразованием частоты в настоящее время широко используются для создания источников питания для различных типов СВТ. Структурная схема ВИП без преобразования частоты представлена на рисунок11. И содержит следующие основные элементы:

Сетевой выпрямитель – преобразует поступающее на вход переменное напряжение U=220В и частотой 50Гц в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную, так и постоянную составляющую;

Фильтр – обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

Преобразователь напряжения состоящий из

Конвертора – который осуществляет преобразование постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Конвертор содержит в своем составе:

Инвертор – осуществляющий преобразование поступающего на вход постоянного напряжения в переменное напряжение, как правело прямоугольной формы, высокой частоты (30-40кГц);

Трансформатор TV1 - во-первых, обеспечивает преобразование переменного напряжения высокой частоты до нужной величины, во-вторых, обеспечивает гальваническую;

Выпрямитель – преобразует поступающее на вход переменное напряжение высокой частоты в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную, так и постоянную составляющую;

Существует два основных алгоритма выработки управляющих импульсов:

Широтно-импульсное регулирование (ШИР) в данном случаи период следования управляющих импульсов остается постоянным (Тупр=const), а для регулирования напряжения изменяется длительность управляющих импульсов (tупр=var);

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) в данном случаи длительность управляющих импульсов остается постоянной (tупр =const), а для регулирования напряжения изменяется период следования управляющих импульсов (Тупр=var).

Внешний вид осциллограмм напряжения в характерных точках ВИП без преобразования частоты представлен на рисунок 12. Достоинства схемы:

Схема имеет не большие габаритные разметы, что является следствием работы трансформатора TV1 и элементов фильтра на выходе блока на достаточно высокой частоте (30-40кГц).

Схема имеет высокий КПД (~50-60%), что является следствием работы активных элементов конвертора (транзисторов) в импульсном режиме.

Недостатки схемы:

Схема имеет достаточно сложную конструкцию и содержит много элементов;

Наличие интенсивных электрических помех, что является следствием работы активных элементов схемы в импульсном режиме

Жесткие требования к диапазону нагрузок (короткое замыкание и холостой ход не всегда допустимы);

Наличие повышенной пульсации выходного напряжения, что накладывает более жесткие требования к выходному фильтру.

В настоящее время данный тип ВИП является