2.1 Электропреобразовательные устройства

2.1.1 Преобразователи переменного напряжения

Источник вторичного электропитания (ИВП) — это электронное устройство, предназначенное для преобразования энергии первичного источника электропи­тания в электрическую энергию частоты, уровня и стабильности, значения кото­рых согласованы с требованиями, предъявляемыми конкретными электронными устройствами (ЭУ).

В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные ис­точники переменного или постоянного тока.

Возможности непосредственного использования этих источников для пита­ния различных ЭУ и систем весьма ограниченны. Причина в том, что современ­ные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем, требующих для сво­его питания постоянного напряжения низкого уровня — +(5-15) В. Отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ±(5-10) %. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств или ана­лого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1-0,01 %).

Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено:

• несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, по­скольку промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50 Гц, в то время как ЭУ в основном используют для питания напряжение по­стоянного тока, то есть напряжение с частотой, равной нулю;

• несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значе­ние напряжения промышленной сети равно 220 В или 380 В, а напряжение аккумуляторной батареи 12 В, что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования ИС;

• несовпадением стабильностей напряжений, так как промышленная сеть до­пускает статические (долговременные) отклонения напряжения в диапазоне от +15 % до -20 %, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС.

Следует отметить, что колебания напряжения питания должны рассматривать­ся в качестве внешнего возмущения, воздействующего на работу ЭУ и системы в целом. Как было показано ранее на примере усилительных устройств, измене­ние этого напряжения существенно влияет на их технические характеристики. Так, например, в усилителях постоянного тока следствием изменения питания является дрейф нуля выходного напряжения, а в усилителях переменного тока значение напряжения питания определяет уровень вносимых искажений.

Это обусловливает необходимость применения специального электронного устройства, согласующего частоты, уровни и стабильности напряжений, необхо­димых для питания отдельных узлов электронной системы. Роль этого ЭУ и вы­полняют ИВП.

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых может быть разбито на три основные группы: устройства согласования частоты, уровня и стабильности на­пряжения.

Устройства согласования частоты в зависимости от вида преобразуемой энер­гии подразделяются на два основных класса:

выпрямители - преобразователи напряжения переменного тока в напряже­ние, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение);

инверторы -- преобразователи постоянного напряжения в переменное с за­ данной формой и частотой.

Устройства согласования уровня напряжения предназначаются для преобра­зования как постоянного, так и переменного напряжения одного уровня в напря­жение другого уровня.

Устройства согласования стабильности напряжения можно разделить на два основных класса:

сглаживающие фильтры — устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного пульсирующего напряжения (тока);

стабилизаторы — устройства, стабилизирующие среднее значение выходного напряжения, тока и мощности.

В соответствии с вышеизложенным обобщенную структурную схему ИВП можно представить в виде последовательного соединения трех блоков (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Обобщенная структурная схема ИВП

Следует отметить, что с точки зрения конечного результата — согласования параметров напряжения — последовательность включения указанных блоков мо­жет быть произвольной и определяется дополнительными требованиями к ИВП, а также используемыми схемотехническими решениями отдельных блоков.

На рисунке 1.2 приведена наиболее типичная структурная схема построения ИВП, предназначенного для преобразования напряжения промышленной сети в посто­янное напряжение.

Рисунок 1.2 – Структурная схема ИВП с входным низкочастотным трансформатором

В этой схеме последовательно происходит согласование уровня, затем часто­ты и, наконец, стабильности входного и выходного напряжений.

Следует заметить, что представление ИВП в виде каскадного соединения трех функционально законченных блоков является условным. В конкретной структу­ре часто невозможно выделить законченные функциональные блоки, выполня­ющие только один из указанных выше типов преобразования (согласования) напряжений. Однако такое представление позволяет четко сформулировать тре­бования, предъявляемые к ИВП, определить его место в составе электронных систем и основные характеристики.

Независимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений, ИВП характеризуются рядом электрических параметров.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИВП

Номинальные уровни входного Uвх.ном и выходного напряжения Uвых.ном напряже­ний. В зависимости от формы сигнала эти значения являются либо действующи­ми (Uном = U), либо постоянными (Uном = Ucp).

Предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений. Иногда их определяют относительными изменениями, или коэффици­ентами нестабильности напряжения:

(1.1)

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки и от напряжения питания:

(1.2)

где Uвых (Iн) и Uвых (Uвх) - абсолютные изменения выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки и выходного напряжения соответственно.

Иногда величину Uвых (Uвх) задают коэффициентом стабилизации по напря­жению:

тг (1.3)

Если ИВП предназначен для получения на выходе стабильного тока или мощ­ности, то перечисленные параметры определяются относительно этих величин.

Диапазон изменения выходной мощности Рн.max – Рн. min. Иногда этот диапазон задается значениями максимального Iвых.max и минимального Iвых.min токов на­грузки.

Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного Uвх.m и вы­ходного Uвых. m напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций:

(1.4)

где Umi — амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения, представляющая собой амплитуду низшей (основной) его гармоники.

Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напря­жения задается в виде коэффициента сглаживания:

(1.5)

Кроме перечисленных, к ИВП могут предъявляться дополнительные требо­вания, определяющие как его электрические, так и конструктивно-технологиче­ские параметры.

ОДНОФАЗНЫЙ ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ И ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количест­во выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансфор­матора и т. д.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двух - полупериодные выпрямители.

Рисунок 1.3 – простейший однополупериодный выпрямитель на полупроводниковом диоде: а – схема; б – временные диаграммы, поясняющие работу схемы

По числу фаз силовой сети различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. На рисунке 1.3 приведены простейшая схема однополупериодного выпрямите­ля на полупроводниковом диоде (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу схемы. При первых (после включения) положительных полуволнах сину­соидального напряжения uтр на вторичной обмотке трансформатора («+» сверху) прямой ток, протекающий через диод, создаст падение напряжения на нагрузке и зарядит конденсатор до напряжения Uc = Uн. Поскольку прямое сопротивление диода мало, конденсатор зарядится почти до амплитудного Uтp. m значения напряжения uтр.

При отрицательных полуволнах напряжения u_тр диод находится под обратным напряжением: Uобр=u_тр+Uн и ток через него не протекает (током Iобр ввиду его малого значения пренебрегаем).

В это время конденсатор частично разряжается на сопротивление нагрузки, поддерживая на нем напряжение, близкое к Uтр.m. В установившемся режиме (которому соответствуют временные диаграммы, изображенные на рисунке 1.3, б) конденсатор будет подзаряжаться в течение времени t₁-t₂, t₃-t₄ и т.д., пока вы­полняется соотношение u_тр > Uн и диод находится под прямым напряжением: Uпр=u_тр –Uн.

На рисунке 1.3, б штриховой линией показано среднее за период значение пря­мого тока через диод Iпр ср. Если считать ток утечки через конденсатор равным нулю, то средний выпрямленный ток, протекающий через нагрузку, равен сред­нему значению прямого тока через диод: Iвыпр. ср = Iпр. ср.

Следует отметить, что однополупериодное выпрямление имеет низкую эффек­тивность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, а потому нахо­дит ограниченное применение. Устранить этот недостаток позволяет схема одно­фазного двухполупероиодного выпрямителя со средней точкой (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и ее временные диаграммы

Его реализация достаточно проста, так как используются две однополупериодные схемы выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Реализация данной схемы также потребует использования двух источ­ников первичного напряжения, имеющих общую точку. Ток в данной схеме бу­дет протекать в течение всего периода времени, так как диоды будут пропускать только свой полупериод. Вследствие этого один из них должен быть включен под прямое напряжение в момент времени 0 < t < Т/2, а другой в момент време­ни Т/2 < t< T, что и подтверждает схема данного устройства.

Эффективность однофазного двухполупериодного выпрямителя выше однополупериодной схемы, что предопределило ее широкое использование в схемах ИВП.

К основным недостаткам данной схемы следует отнести: необходимость двух источников входного напряжения; высокое значение напряжения, прикладыва­емого к полупроводниковым диодам при их обратном смещении (Uд.обр = 2Um); малое значение напряжения Ucp, определяемого амплитудой Um, в то время как суммарная амплитуда входного напряжения схемы равна 2Um.

Для уяснения появления причин перечисленных недостатков проанализиру­ем более подробно работу схемы, приведенной на рисунке 1.4.

Рисунок 1.5 – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя с одним входным напряжением

Вывод А сопротивления Нагрузки Rн постоянно подключен к средней точке источников первичного напряжения uвх и uвх. В то же время вывод В диодами VD1 и VD2 периодически переключается от вывода источника uвх к выводу источника uвх. В этом случае можно предположить, что если вывод А нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подклю­чаться к неиспользуемым на соответствующем интервале выводам первичных ис­точников, то необходимость в средней точке входного источника отпадет и Uн. cp и Iн. ср увеличатся в 2 раза. Схемотехническая реализация такого решения приве­дена на рисунке 1.5. На интервале 0 < t < Т/2 сумма входных напряжений uвх + uвх = uвх смещает в прямом направлении включенные последовательно с нагрузкой диоды VD1 и VD4. При этом VD2 и VD3 смещены в обратном направлении напряжением, при­ложенным к нагрузке (Uд.обр = Uн).

На интервале T/2<t< Т суммарное входное напряжение смещает диоды VD₂ и VD₃ в прямом, а диоды VD₁ и VD₄ - в обрат­ном направлении. Из сказанного следует, что, как и в однофазной двухполупериодной схеме, напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода из­менения входного напряжения, но при этом оно в 2 раза превышает выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 1.4.

Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в схеме на рисунке. 1.5 к об-ратносмещенному диоду прикладывается напряжение, в 2 раза меньшее, чем в схеме на рисунке 1.4. Схема, представленная на рисунке 1.5, получила название одно­фазного мостового выпрямителя.

Особенностью рассмотренных однофазных двухполупериодных схем явля­ется то, что в схеме со средней точкой последовательно с нагрузкой постоянно включен только один диод, в то время как в мостовой схеме таких диодов два.

Поэтому при низких выходных напряжениях (до 4-5 В) из-за большего зна­чения КПД чаще применяют схему, показанную на рисунке 1.4. При повышении выходного напряжения разница в КПД этих двух схем уменьшается и опреде­ляющим фактором становится меньшее обратное напряжение, прикладываемое к запертым диодам схемы на рисунке 1.5.

Рисунок 1.6 – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя с двумя выходными напряжениями

В связи с этим при больших уровнях выходного напряжения обычно исполь­зуют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме. Следует отметить, что если мостовую схему выпрямителя использовать со­вместно с источником, снабженным средней точкой, и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собствен­ную нагрузку, на выходе выпрямителя мы получим два равных, но противопо­ложных по знаку напряжения (рисунок 1.6). Такая схема выпрямителя часто используется для питания устройств, постро­енных с применением операционных усилителей.

ТРЕХФАЗНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Для построения трехфазного двухполупериодного выпрямителя требуется шесть полупроводниковых диодов. Схема такого выпрямителя и временные диаграм­мы, поясняющие его работу, приведены на рисунке 1.7, а и б.

В схеме Ларионова (рисунок 1.7, а) имеется возможность использовать обе по­луволны питающего трехфазного напряжения для обеспечения тока в нагрузке.

		Поэтому выпрямленное напряжение uн = Rнiн (рисунок 1.7, б) отличается высоким качеством, а продолжительность проводящих интервалов для последовательно со­единенных диодных пар (VD1 и VD5; VD2 и VD6; VD3 и VD4 и др.) составляет Т/6.
Рисунок 1.7 – Трехфазный двухполупериодный выпрямитель: а – схема; б – временные диаграммы, поясняющие ее работу

Очевидно, что в этом случае применимы выражения:

(1.6)

где Uл.m и Uф.m - амплитуды линейного и фазового входных напряжений.

Для максимального обратного напряжения на диоде выполняется условие:

(1.7)

Спектральный состав выпрямленного напряжения:

(1.8)

Из выражения (1.8) видно, что первой и, следовательно, основной из всех гар­моник, присутствующих на выходе выпрямителя, будет напряжение с частотой, в 6 раз превышающей частоту входного напряжения. Поэтому коэффициент пульсации (по шестой гармонике) выходного напряжения будет равен:  = Um6/Um. ср = 2/35  0,057.

Таким образом, амплитуда первой из присутствующих на выходе выпрямите­ля гармоник напряжения составляет только 5,7 % от среднего значения напряже­ния. Это свидетельствует о высокой эффективности схемы Ларионова.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Рисунок 1.8 – Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика Uн. ср = (Iн.ср) — это графически выраженная зависи­мость среднего значения выходного напряжения на нагрузке от среднего значе­ния выходного тока (тока нагрузки) (рисунок 1.8). Она является важнейшим по­казателем выпрямительного устройства, определяющим его эксплуатационные возможности. Выходное напряжение для внешней характеристики (неуправляемого выпря­мителя по постоянному току) будет иметь вид: (1.9)

где Ен. ср - ЭДС на выходе выпрямителя (напряжение при токе нагрузки, равном нулю); н.ср =Iн.ср (Rи+r_д.пр.) - падение напряжения от протекания тока на­грузки по активным сопротивлениям, соответственно, входного источника пита­ния (Rи) и прямосмещенных диодов (r_д.