ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ВВЕДЕНИЕ

В современных радиотехнических устройствах значительное место занимают вторичные источники электропитания. Вторичными источником электропитания называют преобразователи электроэнергии одного вида в электрическую энергию другого вида. Вторичные источники электропитания выполняют множество функций: электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичного питания напряжения в условиях значительного изменения первичного питания напряжения и нагрузок; эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока; требуемую форму напряжений переменного тока. В связи с развитием микроэлектроники и компьютерной техники резко выросли требования к стабильности напряжений и токов. Особенно жесткие требования предъявляют к вторичным источникам электропитания в области измерительной техники.

Вторичные источники питания обычно занимают от 20-80% общего объема радиотехнического устройства. Широкое применение интегральной гибридной технологии резко уменьшают вес и габариты радиотехнических устройств, в то время как относительный объем и вес вторичных источников электропитания возросли. Повышение необходимости, а также уменьшение веса, габарита и стоимости изделий в значительной степени зависит от правильного выбора и проектирования вторичных источников электропитания.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии. Довольно редко (и только в автономных системах) удается осуществить питание всех устройств непосредственно от первичного источника электропитания, т.е. от преобразователя неэлектрической энергии в электрическую. В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Потому возникает необходимость преобразования электрической энергии.

Вторичные источники могут быть весьма разнообразными, а преобразуемое напряжение - постоянным от нескольких вольт или переменным до сотен вольт.

Электрические преобразования касаются, в основном, необходимых значений и показателей качества выходных напряжений и токов источника. Самое важное из эксплуатационных требований - надежность функционирования при определенных внешних условиях. Конструкторско-технологические требования ориентируют разработчика на выбор элементной базы, определяют допустимую массу, объем и форму источника, а также накладывают ряд ограничений на отдельные показатели конструкции (вибропрочность, влагостойкость и т.д.).

Токи утечки в высоковольтных источниках малой мощности могут составлять заметную часть тока нагрузки, и их устранение облегчает режим работы (вплоть до пробоя) транзисторов и микросхем.

Большое значение имеют методы проектирования оптимизированных по массе и объему ИВЭП. Разработка таких методов сопряжена с рядом трудностей: высокие требования к качеству электропитания, характеристикам переходных процессов и надежности источника; инерционность современных высоковольтных биполярных транзисторов и значительное напряжение насыщения мощных полевых транзисторов, приводящее к снижению КПД преобразователей и регуляторов; несовершенство используемых методов теплоотвода, заставляющих применять элементы конструкции с большими поверхностями и значительной массой; высокий уровень помех при импульсных методах регулирования; большие потери мощности и малая индукция насыщения у магнитных материалов, работающих на высоких частотах.

Основной трудностью остается удовлетворение всей совокупности требований к источнику питания, поскольку, улучшая отдельные показатели, ухудшаем другие. Поэтому сегодня усилился поиск новых схемотехнических решений в области ИВЭП. Особенно ценными являются те, которые позволяют улучшить, если не все, то хотя бы несколько показателей качества.

1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1 Общая схема

Современные стабилизированные источники вторичного электропитания отличаются многообразием решений структурных, функциональных, принципиальных схем и узлов. Это объясняется столь же многочисленными и разнообразными требованиями, которые предъявляются радиоэлектронной аппаратурой к источникам питания.

Стабилизированные источники вторичного электропитания условно классифицируются по основным признакам: по роду тока входного и выходного напряжений различают преобразователи напряжений переменного тока в переменный, переменного в постоянный, постоянного в переменный, постоянного в постоянный, комбинированные преобразователи напряжения; по виду регулирующих (исполнительных) элементов - ламповые, магнитные, полупроводниковые (транзисторные, тиристорные, на интегральных микросхемах), магнитополупроводниковые и пр.; по номинальному напряжению - низкого напряжения (до 100В), среднего (100-1000), высокого (свыше 1000В); по допустимому отклонению выходного напряжения (нестабильности) - низкой точности (свыше 5%), средней (1-5%), высокой (0.1-1%), прецизионной (менее 0.1%); по пульсациям входного напряжения - с малым коэффициентом пульсации (менее 0.1%), средним (0.1 до 1%), большим (более 1%); по выходной мощности - микромощные (до 1Вт), малой мощности (1-ЮВт), средней (10-100Вт), повышенной (100-ЮООВт), большой (свыше 1000Вт); по способу регулирования напряжения - непрерывные и импульсные; по наличию цепи обратной связи -без нее (параметрические), с одной и несколькими цепями обратной связи (компенсационные), комбинированные и пр.

Любой стабилизированный источник вторичного электропитания представляет собой совокупность нескольких функциональных узлов, выполняющих различные виды преобразования электрической энергии: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, трансформирование, регулирование, стабилизацию, усиление, защиту и т.д. Эти функциональные узлы характеризуются рядом признаков: назначением, входными и выходными параметрами, условиями эксплуатации, элементной базой.

Выпрямитель В - преобразователь напряжения переменного тока любой формы в однополярное (пульсирующее) напряжение. Он представляет собой один или несколько нелинейных элементов с односторонней проводимостью, соединенных в одну из многочисленных схем выпрямления.

Фильтр Ф - устройство содержащее С, L и активные R элементы и предназначенное для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Фильтр используется также для защиты от помех, поступающих во вторичный источник из первичной питающей сети, и для уменьшения уровня помех, создаваемых самим вторичным источником питания в первичной сети.

Инвертор И - статический преобразователь напряжения постоянного тока в переменный. Выполняется на полупроводниковых приборах - транзисторах или тиристорах, работающих в режиме переключения. Форма напряжения на выходе прямоугольная, реже синусоидальная, пилообразная и т.д.

Трансформатор Т - преобразователь напряжения переменного тока одного номинала в одно или несколько напряжений переменного тока других номиналов.

Трансформатор применяется в источнике вторичного электропитания как самостоятельный узел или входит в состав других узлов, например усилитель мощности. Стабилизатор напряжения СН - устройство, поддерживающее неизменным напряжение постоянного тока или переменного тока в заданных пределах при воздействии различных возмущающих воздействий. В результате, в ряде случаев стабилизатор напряжения осуществляет точную установку номинала выходного напряжения, обеспечивает возможность плавной регулировки напряжения. Стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным способом регулирования могут подавлять переменную составляющую в напряжении постоянного тока.

Регулятор напряжения РН - устройство, изменяющее напряжение на нагрузке по требуемому закону в заданном диапазоне регулирования. В качестве РН может быть использована любая схема стабилизации напряжения, у которой разомкнута ООС. Вместо ошибки регулирования в цепь ООС регулятора подается внешний управляющий сигнал, значение которого меняется вручную или автоматически заданной программе.

Отдельные функциональные узлы ИВЭП могут совмещать в себе несколько функций: выпрямление и регулирование напряжения постоянного тока в регулируемом выпрямителе ВР; инвертирование, выпрямление и фильтрацию напряжения постоянного тока в конверторе К; инвертирования, трансформацию и стабилизацию СИ (стабилизированный инвертор). Подобные схемы позволяют упростить схему источника вторичного электропитания, повысить его КПД и надежность работы. На рисунке 1.1 показан один из вариантов функциональных схем ИВЭП.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема ИВЭП

На вход подается переменное напряжение Uc, которое с помощью трансформатора TV изменяется до требуемой величины. Кроме того, трансформатор осуществляет гальваническую развязку источника выпрямленного напряжения нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений, гальванически не связанные. После трансформатора переменное напряжение с помощью выпрямителя В преобразуется в пульсирующее напряжение. В выпрямленном напряжении помимо постоянной составляющей, присутствует и переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра Ф снижается до требуемого уровня, так, что напряжение на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения СН поддерживает неизменным напряжение U_Н на нагрузке при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления нагрузки.

1.2 Трансформатор

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

На замкнутом магнитопроводе расположены две обмотки. К одной обмотке с числом витков w₁ , которая носит название первичной, подводится электрическая энергия от источника питания Ист; от другой—вторичной обмотки с числом витков w₂ — энергия отводится к приемнику Пр. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, э.д.с. и т. д.), называются первичными или вторичными и имеют соответствующие индексы 1 и 2.

Под действием подведенного переменного напряжения u₁ в первичной обмотке возникает ток i₁ и возбуждается изменяющийся магнитный поток. Этот поток индуцирует э.д.с, e₁ и е₂ в обмотках трансформатора. Э.д.с. e₁ уравновешивает основную часть напряжения источника u₁ , э.д.с. е₂ создает напряжение и₂ на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи возникает ток i₂ , который образует собственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результате создается общий поток Ф, сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них результирующие э.д.с. е₁ и е₂ . Стрелки напряжения u₁ и тока i₁ представляют первичную обмотку как приемник энергии, Положительное направление потока Ф связано с током i₂ правилом правоходового винта. То же правиле определяет положительные направления потока Ф, э.д.с. е₁ и е₂ . Стрелки e₂ и i₂ вторичной обмотки соответствуют направлениям э.д.с. и тока источника электрической энергии. Стрелка напряжения и₂ на зажимах вторичной обмотки, равного напряжению на приемнике, должна совпадать по направлению со стрелкой тока i₂ . Только учитывая условно-положительные направления электрических величин, можно правильно записать уравнения электрического состояния трансформатора.

Помимо основного (рабочего) потока в магнитопроводе токи обмоток создают в окружающем пространстве магнитное поле рассеяния. Рассматривая принцип действия трансформатора, можно пренебречь этим полем. Одновременно будем пренебрегать активными сопротивлениями обмоток. Трансформатор, для которого приняты эти условия, называют идеализированным.

1.3 Выпрямители