ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Неотъемлемым узлом любого радиотехнического устройства является источник электропитания. Электропитание (питание) радиоэлектронной аппаратуры и отдельных приборов осуществляется в основном от ис­точников постоянного тока, которые, как правило, подключены к сетям переменного тока, электромеханическим генераторам или солнечным ба­тареям. Часто для питания различных устройств одной и той же радиотех­нической системы требуются источники постоянного тока с напряжения­ми нескольких номиналов. Например, для питания электронной схемы те­левизора требуется несколько различных напряжений: порядка +5 В для питания цифровых микросхем; +12 В — для питания блока радиоканала; 100... 150 В — для питания блока разверток; 15...25 кВ — для питания ки­нескопа. В этом случае необходимо промежуточное преобразование энер­гии постоянного тока одного номинала в ряд напряжений переменного тока различных номиналов с последующим преобразованием их в напря­жения постоянного тока.

По функциональному назначению и принципам действия элементы источников питания постоянного тока достаточно разнообразны. Изуче­нию этих, общих для радиотехнических систем различного вида звеньев, которые не связаны с формированием, усилением и обработкой колебаний радиодиапазона, а служат для обеспечения работоспособности узлов сис­темы, решающей радиотехнические задачи, и посвящена данная глава.

9.1. Общие сведения. Выпрямители и фильтры

Для получения энергии постоянного тока применяют электропреобра­зовательные устройства, которые традиционно называют источниками вто­ричного электропитания. Источник вторичного электропитания (проще, источник питания) — устройство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы и отдельные устройства радиотехнических систем.

Источники питания

По уровню преобразуемой энергии источники питания делятся на мало­мощные (до 1 кВт), средней (до 10 кВт) и большой (свыше 10 кВт) мощностей. В источниках питания преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямление) осуществляют выпрямители, а преобразова­ние энергии постоянного тока в энергию переменного тока (инвертирование) — инверторы.

Рис. 9.1. Структурные схемы источников питания:

а — традиционная с сетевым трансформатором;

6 — с многократным преобразованием

В настоящее время источники питания строятся по двум типовым структурным схемам (рис. 9.1): традиционной с выпрямителем (фильтром и стабилизатором), подключенным к сети переменного тока через (чаще всего) понижающий трансформатор (рис. 9.1, а); с бестрансформаторным входом, работа которой основана на многократном. преобразовании элек­трической энергии путем поочередного выпрямления и инвертирования (рис. 9.1, б).

За последние 10—15 лет трансформаторно-выпрямительные устройства почти повсеместно вытеснены транзисторными преобразователями, питае­мыми от сети непосредственно через выпрямитель с простейшим емкостным фильтром, что способствует многократному уменьшению массы и габаритов преобразовательных модулей. Однако в этом случае ток, потребляемый от сети, становится импульсным, длительность каждого из которых составляет всего 0,25 — 0,3 части полупериода сетевого напряжения. При этом необхо­димо соответствующее увеличение его амплитуды, и становится очень суще­ственной мощность искажений.

Источник питания с преобразованием переменного тока в постоянный, кроме выпрямителя, включает в себя сглаживающий фильтр и стабилизатор. В схемах с многократным преобразованием электрической энергии содержат­ся и выпрямители, и инверторы.

Выпрямители

В зависимости от количества фаз питающего переменного напряжения выпрямители бывают однофазными и трехфазными. Трехфазные выпрямите­ли относятся полностью к энергетической (сильноточной) электронике — преобразовательной технике и здесь не рассматриваются. Все типы выпрями­телей делятся на неуправляемые и управляемые (регулируемые). Неуправляе­мые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые — на тиристорах. По форме выпрямленного напряжения выпрямители делятся на однополупери-одные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). На выходе прак­тически всех выпрямителей включаются сглаживающие фильтры и стабилиза­торы. Часто сглаживающие фильтры органически вписываются в структуру выпрямителя.

Однофазные выпрямители. Принцип действия простейшего маломощного однофазного однополупериодного выпрямителя аналогичен работе схемы после­довательного диодного детектора (см. рис. 4.16). Такие выпрямители имеют плохие показатели: малый выпрямленный ток, сильные пульсации (изменения амплитуды) выходного напряжения и пр.

Широкое применение в маломощных источниках питания находят две схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей — с нулевым выводом и мостовая. На входе всех однофазных выпрямителей включено сетевое или питающее напряжение (здесь и далее временной t или фазовый v = ωt аргу­менты у функций мгновенных значений напряжения и тока для удобства опущены) , где - действующее значение переменного напряжения; — круговая частота питающей сети; f_с — циклическая частота сети (обычно 50, 400 или 1000 Гц).

Однофазный выпрямитель с нулевым выводом (рис. 9.2, а) можно упрощенно рассматривать как схемное сочетание двух однофазных однополупериодных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями и работающих на общую нагрузку. Основными элементами выпрямителя являются диоды VD1, VD2, нагрузка R_н, сетевой трансформатор Т с двумя вторичными полуобмотка­ми (проще обмотками), имеющими нулевой (общий) вывод. Вторичные обмот­ки включены так, что на их внешних отводах равные по величине фазные на­пряжения е_а и е_ь сдвинуты относительно нулевого вывода на 180° (рис. 9.2, б).

Принцип действия однофазного выпрямителя с нулевом выводом проанализируем при его работе на активную (резистивную, или потреб­ляющую мощность) нагрузку R_н. Каждый ток и напряжение в схеме представлен соответствующей временной диаграммой на рис. 9.2, б — г. В первом полупериоде на угловом интервале v = ωt = 0...π, когда напря­жение е_а = E_msinωt положительно относительно нулевого вывода (рис. 9.2, б), открывается диод VD1, и через нагрузку R_н протекает ток i₁ = i_н. Поскольку падение напряжения на открытом диоде близко к нулю, то к нагрузке R_н прикладывается практически все напряжение верхней вторичной полуобмотки u_н = е_а (рис. 9.2, в). Диод VD2 на указанном интервале находится под обрат­ным (запирающим) напряжением и поэтому закрыт. Во втором полупериоде (угловой интервал π...2π) положительным относительно нулевого вывода ста­новится напряжение е_ь, и ток проводит диод VD2, причем i_н = i₁, u_н = е_ь. На этом интервале под обратным напряжением оказывается диод VD1. Далее про­цессы в схеме периодически повторяются, в результате чего ток i_н протекает через нагрузку R_н в одном направлении, — т. е. является выпрямленным током нагрузки (см. рис. 9.2, в).

Рис. 9.2. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом:

а — схема; б…г — временнйе диаграммы

Обратное напряжение, приложенное к любому закрытому диоду, равно сумме на­пряжений на обеих вторичных обмотках. Например, на интервале π...2π, когда от­крыт диод VD2, к аноду диода VD1 приложено отрицательное напряжение е_a, а к его катоду — положительное напряжение u_н = е_b, выделяемое на нагрузке R_н. Поэтому мгновенное обратное напряжение на закрытом диоде VD1 (рис. 9.2, г), а максимальное обратное напряжение:

, (9.1)

где — среднеквадратическое (действующее, термин устаревший и введен по традиции) значение напряжения на любой из вторичных обмоток.

Основными данными, характеризующими выпрямители, являются: среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения U_н (тока I_н), сопротивление нагрузки R_н и среднеквадратическое значение напряжения сети U₁ (220 или 380 В; соответственно амплитудное ~310 В, 537 В).

Используя периодический характер функции выпрямленного напряжения u_н, разложим ее в тригонометрический ряд Фурье. Период повторения импульсов в ней (не путать с периодом изменения напряжения сети 2π) равен π, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения:

С помощью формулы (9.2) находим среднеквадратическое значение напря­жения вторичной обмотки при заданном напряжении на нагрузке:

. (9.3)

Из этой формулы нетрудно определить требуемый коэффициент трансфор­мации трансформатора:

. (9.4)

Известно, что наибольшую амплитуду из переменных составляющих вы­прямленного напряжения u_н имеет первая гармоника U_п1 частота ω_п1 которой в два раза больше частоты сети ω. Несложное математическое разложение в ряд Фурье функции u_н позволяет получить общую формулу для амплитуды первой гармоники пульсаций:

где т — эквивалентное число фаз, участвующих в выпрямлении за один пе­риод 2π (для рассматриваемой схемы т = 2).

В источниках питания качество выпрямленного напряжения принято оце­нивать коэффициентом пульсаций, равным отношению амплитуды первой гар­моники пульсаций и среднему значению выпрямленного напряжения:

Подставляя в (9.6) т = 2, определим коэффициент пульсаций выпрямите­ля с нулевым выводом:

K_п = 2/3 = 0,67 = 67%. (9.7)

Так как ток нагрузки равен сумме токов двух диодов, то среднее значение выпрямленного тока, протекающего через один диод:

(9.8)

При расчете выпрямителя диоды выбирают в соответствии с формулами (9.1) и (9.8) по их значениям максимального обратного напряжения и тока.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 9.3, а) содержит четыре диода VD1...VD4, соединенных по схеме моста. В одну диагональ моста через трансформатор T (или непосредственно) включено сетевое напряжение u₁, а в другую — нагрузка R_н.

Принцип действия выпрямителя, работающего на активную нагрузку, по­ясняют временные диаграммы на рис. 9.3, б — г. Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. В первом полупериоде (интервал 0 — π), когда напряжение e₂ имеет положительную полярность (отмечена на рис. 9.3, а без скобок), от­крыты диоды VD1, VD3 и через нагрузку R_н протекает ток i_н = i_1,3, создавая на ней напряжение и_н = e₂. Диоды VD2, VD4 при этом закрыты, поскольку напряжение u_н = е₂ на их катодах положительно. В следующий полупериод (интервал π — 2π) напряжение е₂ становится отрицательным (показано на рис. 9.3, а в скобках), и ток i_н = i_2,4 проводят диоды VD2, VD4. Диоды VD1, VD3 при этом закрыты. Таким образом, выпрямленный ток i_н протекает все­гда через нагрузку в одном направлении (см. рис. 9.3, в).

Рис. 9.3. Однофазный мостовой выпрямитель:

а — схема; б - г — временное диаграммы

Полная идентичность временных диаграмм токов i_н и напряжений u_н на нагрузках выпрямителей с нулевым выводом и мостового позволяет рассчитывать их по одним и тем же соотношениям (9.2) — (9.8). На интерва­лах проводимости одной из пар диодов, например, VD1, VD4, к двум другим диодам VDl, VD3 прикладывается обратное напряжение, определяемое на­пряжением e₂ на вторичной обмотке трансформатора (см. рис. 9.3, г). Мак­симальное обратное напряжение на закрытом диоде

. (9.9)

Простейший сравнительный анализ рассмотренных схем однофазных двухполупериодных выпрямителей показывает, что мостовая схема имеет два важных преимущества: 1) в два раза меньшее обратное напряжение на диодах; 2) более простой (с одной вторичной обмоткой) трансформатор, который в принципе может и отсутствовать, и поэтому выпрямитель можно непосредственно включить в сеть переменного тока. Однако поскольку в мостовой схеме в любой момент времени ток нагрузки проводят два диода, то потери в ней больше.