1.5.4 Внешняя характеристика

Это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки : U₀ = f ( I₀ ). При этом, ВИП представляется генератором постоянного напряжения U_0ХХ (холостого хода) с внутренним сопротивлением R_ВЫХ, как показано на рис. 1.23а. Его внешняя характеристика показана на рис 1.23б и имеет падающий характер.

Очевидно, что U₀ = U_0ХХ – I₀ R_вых. По внешней характеристике можно определить выходное сопротивление источника (рис.1.23б) :

,

это сопротивление отрицательное (источник энергии!) и, обычно, нелинейное, поэтому его находят только в рабочей точке.

Рисунок 1.23 – Представление ВИП и его внешняя характеристика

Выходное сопротивление источника существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько нагрузок (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника () приводит к связи между несколькими нагрузками. Это положение иллюстрируется схемой рис.1.24.

Рисунок 1.24 – Связь нагрузок через выходное сопротивление источника

Изменение тока одной из нагрузок I₀₁ или I₀₂ приводит к изменению U₀ и Rвых играет роль сопротивления отрицательной обратной связи по току. Постановка на выходе конденсатора C большой ёмкости такой величины, что , где - частота изменения тока нагрузки, устраняет эту связь по переменному току. При импульсных токах нагрузки это условие надо выполнить для широкого спектра частот, но идеальных конденсаторов нет. Электролитический конденсатор имеет схему замещения, показанную на рис. 1.25. Здесь R_c – сопротивление потерь, зависящее от тангенса угла потерь используемого диэлектрика, L – индуктивность выводов. Зависимость Z от частоты носит явно резонансный характер. Частота резонанса зависит от типа, конструкции конденсатора и меняется в широких пределах от 2 Ггц для керамических до десятков килогерц для электролитических конденсаторов.

Рисунок 1.25 – Схема замещения электролитического конденсатора (а) и

зависимость его полного сопротивления от частоты (б)

Например, для конденсатора типа К 50-33 с напряжением 63В, ёмкостью С_ном=4700мкФ, модуль полного сопротивления лежит в пределах Z = 0,03… 0,1 Ом при частотах 10кГц …1МГц.[13 ]. Теоретическое значение сопротивления равно:

То есть, реальное сопротивление на порядок превышает теоретическое значение сопротивления Х_c . Поэтому параллельно электролитическому конденсатору ставят плёночный или керамический конденсатор малой ёмкости.

1.5.5 Масса и объём

Энергетические устройства одинакового назначения сравнивают между собой по удельным массо-объёмным показателям с размерностью: Вт/дм³ и Вт/кг (иногда кг/Вт).

Габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплопровода (V_T), либо конструктивным объёмом, необходимым для размещения деталей (V_K).

Использование интегральной и гибридно-плёночной технологии изготовления диодов, транзисторов, резисторов, дросселей и прочее, повышает их коэффициент загрузки, т.е. увеличивается плотность тока (j - А/мм²) и частота преобразования, что приводит к уменьшению массы и объёма конструкции (V_K). С другой стороны повышение коэффициента загрузки приводит к увеличению потерь, следовательно, и требуемый «тепловой» объём возрастает(V_Т).

Это положение иллюстрируется графиком рис.1.26, где по оси абсцисс отложен интегральный параметр – частота f, плотность тока j, индукция В.

Рисунок 1.26 – Зависимость объёма ВИП от частоты, плотности тока и

индукции

Кажется, что увеличивая бесконечно частоту, можно снизить объём конструкции, но при этом возрастает минимальный тепловой объём (мощный транзистор ставится на радиатор!). Поэтому нет смысла уходить за точку оптимума. Попадание в эту точку на этапе проектирования системы может быть только случайным, поскольку задача многопараметрическая. Любое отклонение от неё в ту или другую сторону является основанием для оптимизации режимов работы с целью повышения удельной мощности и КПД вторичного источника.

Современные выпрямители (ВБВ - импульсные) работают в районе точки оптимума и характеризуются удельной мощностью 400…600 Вт/дм³ при частоте преобразования 50…100 кГц. Классические выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, имеют удельную мощность 7…10 Вт/дм³ . Примерно во столько же раз отличается и стоимость импульсных и классических выпрямительных устройств, но широким спросом пользуются именно импульсные, в силу своих высоких эксплуатационных показателей.