Электропитание устройств и систем связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электропитание устройств и систем связи

1. Историческое развитие энергетики и преобразовательной техники. Источники энергоснабжения

электроснабжение трансформатор выпрямитель

Электросвязь как отрасль народного хозяйства относится к числу энергоемких, т.е. требующих для своего функционирования больших затрат электрической энергии. Причем большая часть потребляемой энергии расходуется на технологические нужды отрасли - усиление и передачу сигналов, генерирование колебаний, преобразование сигналов, установление соединения между абонентами и др. При этом качество работы телекоммуникационных устройств однозначно зависит от качества энергии электропитания. Эти два фактора - энергозатраты и качество энергии, определяют структуру и отдельные компоненты источников и систем электропитания, как крупных узлов электросвязи - радиоцентров, телецентров, телефонных станций ГТС, АМТС, так и отдельных электронных устройств.

Источники электропитания как составная часть электронных устройств, приборов, систем во многом определяет их технические характеристики. Так, до 40-50% объема современного компьютера занимают источники питания, и поэтому проблемы дальнейшей миниатюризации компьютеров связаны с совершенствованием электропитающего оборудования. Аналогичная ситуация складывается и в системах вторичного электропитания электронных АТС. Однако современные технические решения в области миниатюризации близки к предельно возможным по условиям плотности энергии на единицу объема. Дальнейшее улучшение характеристик электропитающего оборудования потребует использования новых физических эффектов и новых элементов электронной техники.

В области крупных систем электропитания приоритетным направлением их развития являются снижение металлоемкости (особенно в части дорогостоящих цветных металлов) и снижение потерь энергии при преобразовании (повышение КПД). К сожалению и здесь существуют свои физические ограничения. В частности, КПД современных выпрямителей для питания АТС с токами 200…400А достигают 90%.

Современное электронное оборудование телекоммуникационных систем, как правило, предъявляет более жесткие требования к источникам электропитания. При этом нормы качества электроэнергии регламентируют не только поведение источников и систем электропитания в стационарных, но и в переходных режимах, включая аварийные.

Развитие полупроводниковой техники позволило эффективно разрешить проблему преобразования переменного тока в постоянный при относительно больших плотностях тока в приборах. К 1957г. промышленность отрасли связи полностью перешла на выпуск выпрямительных устройств на основе кремниевых диодов. Появление мощных тиристорных ключей позволило усовершенствовать выпрямители, увеличить предельную мощность устройств, увеличить КПД и степень их автоматизации.

Наряду с совершенствованием электронной техники развивалась параллельная ветвь силовой электроники - преобразование постоянного напряжения в переменное и постоянное другого уровня. Это направление базируется на полностью управляемых полупроводниковых ключах - транзисторах. Сегодня транзисторы конкурируют с тиристорами по уровню коммутируемых токов, а по быстродействию они на два порядка превосходят тиристоры. Долгое время возможности транзисторов ограничивались малым значением коэффициента усиления по току и их слабой перегрузочной способностью. Появление полевых транзисторов и освоение новых технологий позволило создать так называемые «разумные» ключи и целые модули, сочетающие в себе мощные транзисторы с элементами управления, защиты от перегрузки по току и напряжению.

По этой же технологии разработан большой перечень функционально законченных устройств управления и контроля преобразовательных устройств, допускающих принципы блочного проектирования систем электропитания.

Краткая характеристика энергосистемы

Источниками электрической энергии для промышленных предприятий, и в том числе для предприятий связи, обычно является энергосистема или электростанция. Энергосистема (ЭС) включает совокупность электростанций и подстанций, связанных между собой линиями электрической сети. В общем случае ЭС содержит ряд подсистем, из которых наиболее значительной является электрическая подсистема (генераторы, распределительные устройства, подстанции, линии электрической сети). Часть электрической системы, состоящая из подстанций и линий различных напряжений, называется электрической сетью.

С целью снижения потерь электрической энергии ее передача на расстояние обычно обеспечивается при высоких уровнях напряжения. На рис. 1 показан пример схемы ЭС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема энергетической системы

Районная сеть с напряжением 110 кВ получает энергию от гидростанции через повышающую подстанцию, линию электропередачи 220 кВ и понижающую подстанцию. Эта сеть получает питание также от тепловой электростанции, расположенной в районе сосредоточения топливных ресурсов. Районные сети образуют кольцевые структуры, содержащие понижающие подстанции. Сети, обеспечивающие большой промышленный район, могут получать энергию от районной теплоэлектроцентрали - ТЭЦ.

От районной сети 110 кВ через понижающую подстанцию питается районная сеть 35 кВ, от которой, в свою очередь, через понижающую подстанцию питаются местные сети 10 или 6 кВ. От распределительной сети также через понижающую подстанцию питаются распределительные сети с напряжение 380/220 В.

Предприятия связи получают электроэнергию от местных сетей с напряжением 6 или 10 кВ. Возможны варианты питания предприятий связи от районной сети 35 кВ. Вопрос о выборе напряжения сети решается с учетом разветвленности сети и потребляемой мощности.

2. Принцип действия и основные конструктивные виды трансформаторов. Перспективы совершенствования трансформаторов малой мощности

Среди функциональных элементов систем электропитания аппаратуры связи силовые трансформаторы по широте распространения и универсальности применения занимают первое место. Трансформаторы применяют в системах передачи и распределения электрической энергии, в электропитающих устройствах предприятий связи, в выпрямительных и преобразовательных устройствах и т.д.

Мощность, габаритные размеры и масса трансформаторов в зависимости от их назначения, изменяются в широких пределах. Трансформаторы малой мощности (ТММ) маломощных до нескольких кВт, отличаются от мощных силовых трансформаторов, применяемых на трансформаторных подстанциях в линиях электропередачи, соотношениями между электромагнитными характеристиками, а также разнообразием конструкций и режимом работы. ТММ в зависимости от областей применения подразделяются на силовые трансформаторы, высокочастотные трансформаторы инверторов, импульсные трансформаторы, используемые в целях управления тиристорами и др.

Принцип действия и устройство трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами (с иным напряжением, током, числом фаз, частотой или формой кривой напряжения).

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно-связанной с первой, индукцируется ЭДС. При включении второй обмотки на какой либо приёмник энергия в цепи будет передаваться во вторую.

Обмотка трансформатора, связанная с сетью более высокого напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, связанная с сетью более низкого напряжения (НН).

Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, из которой трансформатор потребляет преобразуемую им электрическую энергию, называется первичной; обмотка, включённая в сеть приёмника энергии, называется вторичной. Если первичной обмоткой трансформатора является обмотка высшего напряжения, вторичной - обмотка низшего напряжения, то такой трансформатор называется понижающим; если же первичная обмотка - обмотка низшего напряжения, а вторичная - высшего, то трансформатор называется повышающим.

Обмотки трансформаторов. Трансформатор может содержать две или несколько обмоток, из которых одна первичная, включаемая в сеть источника электрической энергии, а обмотка включенная в сеть приемника энергии, называется вторичной. Трансформатор может быть понижающим, если напряжение первичной обмотки больше напряжения вторичной обмотки или повышающим если первичная обмотка - обмотка низшего напряжения, а вторичная - высшего. Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндричискую форму, выполняя их при малых токах из круглого изолированного провода, а при больших токах из шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения, т.к. ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.

Применяемые ферромагнитные материалы.

Для улучшения магнитной связи между обмотками служит стальной магнитопровод, собранный из пластин специальной электротехнической стали. В магнитопроводе выделяются потери преобразуемой им энергии, которые складываются из потерь на гистерезие и потерь на вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собирают из отдельных пластин, изолированных одна от другой лаком или окалиной. Толщина пластин 0,5 или 0,35 мм при частоте тока в сети 50 Гц и меньшей толщины при более высокой частоте.

В зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток на нем однофазные трансформаторы разделяют на стержневые и броневые.

Стержневой магнитопровод имеет два стержня, охватываемых обмотками. На каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Такое расположение обмоток на магнитопроводе обеспечивает лучшую магнитную связь между обмотками, чем при размещении первичной и вторичной обмоток на различных стержнях, как это условно изображается на схемах.

В трансформаторе броневого типа первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне магнитопровода.

Магнитопроводы могут изготовляться из лент. Трансформаторы больших и средних мощностей выполняют стержневыми, т.к. в броневых трансформаторах трудно изолировать обмотки высшего напряжения от магнитопровода. Трансформаторы малой мощности часто изготавливают броневыми, обладающими рядом конструктивных достоинств: одна катушка вместо двух; более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом; частичная защита обмотки ярмом от механических повреждений.

Трансформаторы малых мощностей имеют естественное воздушное охлаждение, а в сердечнике и обмотках мощных трансформаторов устанавливаются вентиляционные каналы. Широко используется масляное охлаждение.

Эксплутационные и внешние характеристики трансформаторов.

Характеристики трансформатора подразделяются на параметры - показатели качества и рабочие или эксплуатационные. Показателем качества является процентное изменение напряжения на трансформаторе под нагрузкой

; ; Р_ст=Р_хх, Р_м=Р_к.

К эксплуатационным характеристикам трансформатора относятся зависимости I₁, P₁ от величины активной мощности Р₂ при U_1н к внешним характеристикам относятся зависимость U₂ от тока I₂ при активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузках.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внешние (а) и эксплутационные характеристики трансформатора (б)

3. Требования аппаратуры связи к качеству напряжения питания. Принцип действия выпрямителя. Функциональная схема

Назначение и устройство выпрямителя.

Статический преобразователь переменного тока в постоянный называется выпрямительным устройством или выпрямителем. Отсутствие вращающихся частей делает выпрямитель надежным устройством, не требующим обслуживания.

При любом виде преобразования переменного тока в постоянный происходит промежуточное преобразование электрической энергии в энергию другого вида. Мощность Р~ потребляемая выпрямителем в одну часть периода (при cosц = 1), больше мощности Р₀, отдаваемой в нагрузку (рис. 3.1.), т.е. происходит накопление энергии в преобразователе. В другую же часть периода мощность Р~ меньше, чем Р₀ . т.е. накопленная в преобразователь энергии поступает в нагрузку.

В электромашинах преобразователях происходит промежуточное преобразование электрической энергии переменного тока в механическую энергию, накапливаемую во вращающихся массах и преобразуются в электрическую энергию постоянного тока, отдаваемую в нагрузку.

В статистических преобразователях используются реактивные накопители энергии (индуктивности и емкости) и происходит промежуточное преобразование энергии в магнитную (LI²/2) или электрическую (CU²/2). Выпрямитель содержит трансформатор 1 (рис. 3.2.) вентиль 2 и сглаживающий фильтр 3.

Рис. 3.1. Временная диаграмма мощности полезной Р₀ и потребляемой выпрямителем Р~ из сети при cosц = 1

Трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока с тем, чтобы на зажимах его вторичной обмотки получить необходимое значение напряжения.

Кроме того, почти всегда требуется, чтобы нагрузка выпрямителя была электрически (гальванически) изолирована от питающей сети, в противном случае выходной зажим выпрямителя не может быть соединен с корпусом устройства или заломлен. Очень часто, помимо преобразования напряжения, трансформатор преобразует и число фаз (например, трехфазная система преобразуется в шестифазную).

Рис. 3.2. Блок-схема выпрямителя

Вентиль - это приборы, обладающие униполярной проводимостью. Для нормальной работы выпрямителя вентиль должен обеспечить необходимое максимальное значение тока и высокий КПД, т.е. иметь малые потри. Кроме того, вентиль должен выдержать приложенное к нему обратное напряжение и перегрузку по оку в течении времени, необходимого для срабатывания защитного устройства, а также рассеивать мощность, выделяемую на внутреннем сопротивлении вентиль.

Сглаживающий фильтр предназначен для ослабления пульсации, т.е. для уменьшения амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения. Сглаживающий фильтр обычно состоит из индуктивных катушек и конденсаторов, соединяемых по определенный схеме.

Помимо элементов, показанных на блок-схеме, выпрямитель может содержать стабилизатор напряжения (или ток), который поддерживает напряжение (или ток) постоянным с определенной степенью точности при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Выпрямитель может также содержать регуляторы напряжения, устройства контроля, коммутации, защиты и др.

Вентили

Основные свойства. Для преобразования переменного тока в постоянный применяются приборы с односторонней (вентильной) проводимостью, сопротивление которых для тока одного направления намного меньше сопротивления для тока обратного напряжения.

Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика неуправляемого вентиля: а - идеализированного; б - реального

ВАХ показывает зависимость протекающего по вентилю тока от приложенного к электродам вентиля напряжения, т.е. I=f(U). На рис. 3.3 (а) показан ВАХ идеального неуправляемого вентиля-диода. При сколь угодно малом приложенном прямом напряжении U_пр в идеальном вентиле возникает прямой ток I_пр. При этом, поскольку прямое сопротивление идеального диода равно нулю, то и соответствующее падение напряжения U_пр = 0, следовательно, прямая ветвь ВАХ идеального вентиля совпадает с осью тока I_пр (вертикальна). При любых малых обратных напряжениях U_обр диод обладает бесконечно большим сопротивлением и, следовательно, обратный ток по вентилю протекать не может, т.е. I_обр = 0.

ВАХ реального вентиля - выпрямительного диода VD показана на рис. 3.3,б. Прямое сопротивление этого диода больше нуля, поэтому протекание тока в прямом направлении вызовет соответствующее падение напряжение на нем. Обратное сопротивление диода имеет некоторое конечное значение, поэтому при приложении к электродам диода обратного напряжения в нем появляется небольшой обратный ток.

Таким образом, при положительной разности потенциалов между анодом и катодом выпрямительный диод любого вида «открывается» - проводит ток в прямом направлении, а при отрицательной разности потенциалов выпрямительный диод «закрывается», т.е. ток, протекающий по нем в обратном направлении, намного меньше его прямого тока. Это основное свойство выпрямительного диода лежит в основе работы всех изучаемых ниже схем выпрямления.

Выпрямительные свойства описываемых диодов характеризуется рядом параметров, к которым относится как предельные эксплуатационные, так и среднее (номинальное) параметры.

Основные параметры:

1. I_{пр. ср max}, А, - максимально допустимый средний ток. Это значение тока определяется мощностью, которая рассеивается на диоде.

2. U_{обр.и max}, В, - максимально допустимое импульсное обратное напряжение, которое диод данного типа может выдержать, не подвергаясь опасности пробоя.

3. U_{пр. ср,} В, - среднее прямое напряжение (падение напряжение на внутреннем сопротивлении диода) при токе I_{пр. ср} (рис. 5.3.б), т.е. в открытом состоянии диода. Значение U_{пр. ср} определяет КПД выпрямительного устройства: чем меньше U_{пр. ср} тем ниже потери и ваше КПД данного устройства.

4. r_диф, Ом, - дифференциальное (внутреннее) сопротивление выпрямительного диода, которое представляет собой отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока в нем при заданном режиме по току в прямом направлении. Значение r_диф определяется значением U_{пр. ср} данного диода и I_{пр. ср} - средним значением прямого тока вентиля (плеча) рассчитываемой схемы выпрямления. Выпрямительные диоды характеризуются также динамических сопротивлением r_дин (ГОСТ 25529-82), которое определяется наклоном прямой, аппроксимирующей прямую ветвь ВАХ.

5. Интервал температур окружающей среды, а также другие условия эксплуатации: влажность давление, механические нагрузки и т.п., при которых обеспечиваются заданные электрические параметры.

Выбор типа диода производится по справочнику, при этом определяющими являются первые два параметры.

В ИВЭП с высокочастотными преобразованием энергии используются импульсные или высокочастотные диоды, которые кроме статистических параметров, приведенных на ВАХ, характеризуется также параметрами, определяющими их инерциональные свойства; последние проявляются при переключении диода с прямого напряжения на обратное. Дело в том, что в момент смены полярности входного напряжения из-за инерциональности носителей заряда диод еще некоторое время остается открытым и через него в обратном направлении протекает ток I_добр и, значение которого зависит от характера нагрузки выпрямителя и длительности фронта входного переменного напряжения. Таким образом, после смены полярности входного напряжения в течение определенного интервала времени происходит восстановление обратного сопротивления диода; этот интервал времени, называемый временем обратного восстановления диода t_{вос.обр} , является важным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерциональные свойства.

Неуправляемые полупроводниковые вентили.

К ним относятся германиевые, кремниевые и селеновые диоды.

Германиевые диоды. Конструктивное выполнение полупроводниковых выпрямительных диодов зависит от технологии получения p-n перехода и от их мощности; в зависимости от последней они делятся на маломощные, средней и большой мощности.

Обратное допустимое напряжение германиевых диодов различных типов составляет от 50 до 400 В; интервал рабочих температур от --50 до +70 °С. С повышением температуры обратное допустимое напряжение уменьшается, и по этой причине ростом температуры окружающей среды приходится существенно уменьшать нагрузку выпрямительного диода, а также применять дополнительное охлаждение винкелей радиаторами.

Падение напряжения на германиевых диодах составляет 0.2 - 0.5 В. Срок службы 5 - 20 тыс. ч.

Германиевые диоды, несмотря на более сложную (по сравнению с германием) технологию получения чистого кремния, получили преимущественно применение по следующим причинам:

- обратный ток - I_обр на один - два порядка меньше, чем у германиевых;

- шире интервал рабочих температур ( -60 +125°С);

- допустимое обратное напряжение U_обр и max выше, чем у германиевых, и достигает у некоторых диодов 1000 В;

- предельная рабочая частота 2-3‚ раза выше, чем у германиевых, вследствие меньшей собственной емкости кремневых диодов.

Недостатком кремневых диодов является большое деление напряжения на диоде, в 2 - 3 раза превышающего U_пр.ср. германиевых диодов.

Электровакуумные и ионные вентили имеют весьма ограниченное применение и вытесняются в последнее время полупроводниковыми, причем, как правило, кремневые.

Селеновые диоды, являясь одними из первых полупроводниковых вентилей, применялись до последнего времени благодаря высокой надежности, большому сроку службы, невысокой стоимости. Высокая надежность, большому сроку службы, невысокой стоимости. Высокая надежность селеновых вентилей объясняется стойкостью их к токовым перегрузкам, число которых может быть любым, если перегрев вентиля не превышает нормы и, кроме того, эти вентили, обладая свойством «самозалечивания», допускают длительное превышение питающего напряжения. Однако большие объем и масса, а также расформовка и старение, в процессе эксплуатации ухудшающие их вентильные качества, вызывают прогрессирующий отказ промышленности от использования селеновых вентилей.

4. Сглаживающие фильтры (классификация, параметры). Стабилизаторы напряжения и тока (классификация, параметры)

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжении (тока) потребителя, являются: колебания питающих напряжений; изменения потребляемой нагрузкой мощности; колебании частоты тока сети; изменения температуры окружающей среды и др.

Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности напряжения питающей сети. Большая часть потребителей питается oт промышленной сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гн. Колебания напряжения такой сети могут достигать -15 ... +5% or номинального значения. При питании устройств от маломощных энергетических сетей или от автономных источников колебания напряжения могут достигать -20 ... -10 %, а иногда и более.

Изменение мощности, потребляемой аппаратурой, вызывает изменение тока потребителя. Изменение тока приводит к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивления источника и сопротивлении соединительных проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем большими будут изменения напряжения при изменении тока нагрузки.

Колебания частоты тока сети могут привести к изменению выходного напряжения и к изменению пульсации в источниках постоянного тока. Изменение температуры окружающей среды может вызвать изменение выходного напряжения (тока) из-за изменения параметров элементов, Используемых в устройствах электропитания.

Назначением стабилизаторов напряжения (тока) является уменьшение влияния всех дестабилизирующих факторов. Стабилизаторы разделяют в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные [элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет Нелинейности их вольт-амперных характеристик. На рис. 1. изображены вольт-амперные характеристики нелинейных элементов, используемых для стабилизации напряжения и тока.

Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели с насыщенным ферромагнитным сердечником. Для стабилизации постоянного напряжения находят широкое применение кремниевые стабилитроны, стабисторы. В стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи (рис. 4.1). Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока -- функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные стабилизаторы.

Стабилизаторы с непрерывным регулированием в зависимости от способа включения регулирующего элемента разделяются на последовательные и параллельные. В последовательных стабилизаторах регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в параллельных - параллельно нагрузке. На рис. 4.1 изображены схемы последовательных стабилизаторов с непрерывным регулированием. В стабилизаторах постоянного напряжения регулирующий элемент может быть включен в цепь как постоянного, так и переменного тока.

В схеме рис. 4.1, а стабилизатор питается от сети постоянного тока или от сети переменного тока через выпрямитель и фильтр. Изменение входного напряжения или тока нагрузки вызывает в первый момент изменение напряжения на выходе схемы. Измерительный элемент (ИЭ) сравнивает выходное напряжение с опорным, в результате чего на его выходе выделяется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования усиливается усилителем (У) и воздействует на регулирующий элемент (РЭ). Напряжение на регулирующем элементе изменяется и компенсирует изменения выходного напряжения с определенной степенью точности.

В схеме рис. 4.1, б РЭ включен в цепь переменного тока последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Напряжение вторичной обмотки u₂ выпрямляется выпрямителем, фильтруется и поступает на нагрузку. Измерительный элемент сравнивает выходное напряжение с опорным, и сигнал рассогласования, усиленный усилителем, через устройство согласования (УС) воздействует на РЭ, в результате чего напряжение на выходе схемы поддерживается неизменным с определенной степенью точности.

Рис 4.1 Структурные схемы последовательных компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием: а -- с РЭ в цепи постоянного тока; б -- с РЭ в цепи переменного тока: в - с двумя РЭ

В отличие от схемы рис. 4.1, а стабилизатор содержит УС, необходимое для гальванической развязки, цепей постоянного и переменного тока. Данная структурная схема может быть использована для построения стабилизатора переменного напряжения с непрерывным регулированием. В этом случае выпрямитель и фильтр в схеме отсутствуют. Для улучшения качественных параметров и массогабаритных показателей применяют схемы непрерывных стабилизаторов с двух контурным регулированием (рис. 4.1, б).

При изменении входного напряжения u_вх изменяется напряжение на нагрузке u_вых и на выходе измерительного элемента ИЭ1 появляется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем У1, воздействует на регулирующий элемент РЭ1. Напряжение на нем изменяется, а выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению. При изменении напряжения на регулирующем элементе РЭ1 и отклонении его от заданного минимального значения начинает действовать второй контур регулирования. Измерительный элемент ИЭ2 сравнивает с эталонным напряжением на регулирующем элементе РЭ1.

При отклонении напряжения на регулирующем элементе РЭ1 от заданного минимального значения на выходе измерительного элемента ИЭ2 появляется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем У2 и через устройство согласования поступает на вход регулирующего элемента РЭ2, включенного в цепь переменного тока. Напряжение на регулирующем элементе РЭ2 изменяется, и напряжение на регулирующем элементе РЭ1 возвращается к своему первоначальному минимальному значению. Таким образом, напряжение на регулирующем элементе РЭ1 в установившемся режиме поддерживается минимальным, что позволяет уменьшить его потери.

Рис. 4.2. структурная схема параллельного стабилизатора с непрерывным регулированием

На рис. 4.2 представлена схема параллельного стабилизатора с непрерывным регулированием. Регулирующий элемент включен параллельно нагрузке. При изменении входного напряжения в первый момент напряжение на выходе схемы u_вых изменяется. На выходе ИЭ появляется сигнал рассогласования между выходным напряжением и опорным. Сигнал рассогласования усиливается усилителем и поступает на вход РЭ. Изменение сигнала на входе РЭ приводит к изменению его тока Iр, что, в свою очередь, вызывает изменение тока I_вх, потребляемого схемой от источника питания. Изменение входного тока I_вх приводит к изменению падения напряжения на гасящем сопротивлении R_г, в результате чего выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению.

Изменение тока нагрузки I_н вызывает противоположное по знаку и равное по значению изменение тока через регулирующий элемент. Таким образом, при изменении тока нагрузки ток, потребляемый стабилизатором от источника питания, не изменяется.

Гасящее сопротивление можно включить в цепь переменного тока, если стабилизатор питается от сети переменного тока через выпрямитель и фильтр. В качестве гасящего сопротивления в цепи переменного тока можно использовать дроссель, что позволит снизить потери и увеличить КПД стабилизатора.

Применяют комбинированные схемы с двумя регулирующими элементами, один из которых включен параллельно нагрузке, а другой последовательно с ней. Такие схемы имеют хорошие динамические параметры при импульсном изменении тока нагрузки и обеспечивают неизменность входного тока.

Импульсные стабилизаторы, так же как и непрерывные, разделяют в зависимости от способа включения регулирующего элемента на последовательные и параллельные. В зависимости от способа управления на широтно-, частотно-, фазо-, амплитудно-импульсные и релейные. Отличительной особенностью импульсных стабилизаторов является работа регулирующего элемента в ключевом режиме, что позволяет уменьшить рассеиваемую на нем мощность, повысить КПД схемы и улучшить массогабаритные показатели источника электропитания.

Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсным способом управления.

Рис. 4.3 Структурная схема импульсного стабилизатора с ШИМ

На рис. 4.3 представлена схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с регулирующим элементом, включенным в цепь постоянного тока. Регулирующий элемент управляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ). На вход регулирующего элемента с постоянной частотой поступают импульсы определенной длительности. Регулирующий элемент периодически подключает источник постоянного тока к входу фильтра. Напряжение на входе фильтра представляет собой последовательность однополярных прямоугольных импульсов определенной длительности, имеющих постоянную частоту. Фильтр отфильтровывает переменную составляющую, и на его выходе выделяется постоянная составляющая напряжения. При изменении выходного напряжения, вследствие изменений напряжения на входе или тока нагрузки, на выходе ИЭ. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем, воздействует на ШИМ, что вызывает изменение длительности импульсов на его выходе, а следовательно, и на входе фильтра. В результате постоянная составляющая напряжения на выходе стабилизатора возвращается к своему первоначальному значению. В стабилизаторах с частотно-импульсным управлением изменение выходного напряжения приводит к изменению частоты управляющих импульсов при их постоянной длительности, за счет чего выходное напряжение поддерживается неизменным.

В стабилизаторах с фазовым управлением изменение выходного напряжения приводит к изменению фазы импульсов, управляющих РЭ. Примером стабилизаторов с фазовым управлением служат управляемые выпрямители, охваченные контуром отрицательной обратной связи.

В стабилизаторах с амплитудной модуляцией при изменении сигнала рассогласования изменяется амплитуда импульсов на выходе РЭ при их неизменной длительности и постоянной частоте.

В релейных стабилизаторах напряжения цепь обратной связи содержит элемент, имеющий релейную характеристику. Релейный элемент запирает РЭ, когда выходное напряжение стабилизатора превышает напряжение его срабатывания, и открывает его, когда напряжение на выходе станет меньше напряжения отпускания. В результате напряжение на выходе поддерживается неизменным в определенном пределе, определяемом разностью между напряжениями срабатывания и отпускания релейного элемента.

В импульсных стабилизаторах РЭ может быть включен в цепь переменного тока. Такие схемы применяются для стабилизации как постоянного, так и переменного напряжений.



Рис. 4.4. Импульсный стабилизатор с регулирующим элементом в цепи переменного тока: а - схема; б - зависимости u₁(t), u₀(t).

На рис. 4.4 представлена структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с РЭ, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора. Регулирующий элемент управляется широт-но-импульсным модулятором через УС. Частота переключения регулирующего элемента во много раз превышает частоту тока сети. Амплитуда низкочастотной составляющей напряжения на первичной обмотке трансформатора (рис. 4.4, 6) будет изменяться при изменении длительности импульсов, поступающих на вход регулирующего элемента, за счет чего постоянная составляющая выходного напряжении будет поддерживаться неизменной.

По сравнению со стабилизаторами с непрерывным регулированием импульсные стабилизаторы имеют более высокий КПД и улучшенные массогабаритные характеристики. Их динамические параметры несколько хуже, чем у непрерывных стабилизаторов, и они также являются источниками сетевых и радиопомех.

Непрерывно-ключевые стабилизаторы содержат два контура регулирования - непрерывный и импульсный. Контуры регулирования взаимно связаны. Большая часть мощности регулируется импульсным регулятором, что обеспечивает повышенный КПД схемы. Улучшенные динамические характеристики стабилизатора обеспечиваются непрерывным контуром регулирования.

Таким образом, непрерывно-ключевые стабилизаторы сочетают в себе положительные качества как непрерывных, так и импульсных стабилизаторов.

Одной из важнейших проблем при разработке стабилизированных источников электропитания является уменьшение их массы и габаритов и повышение КПД. Габариты стабилизированных источников определяются либо размерами теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения деталей. Поверхность теплоотвода определяется КПД стабилизатора. Объем, необходимый для размещения элементов стабилизированного источника, зависит от элементной базы, от конструктивного исполнения этих элементов и узлов, от удельных нагрузок. Современная элементная база уже располагает стабилизаторами напряжения в интегральном исполнении, мощными высокочастотными транзисторами, диодами, высокочастотными конденсаторами большой емкости. Объем и масса стабилизированного источника электропитания зависит от рационального выбора способа регулирования и его структурной схемы.

Известно, что импульсные стабилизаторы напряжения обладают более высоким КПД, имеют меньшую массу и объем, чем стабилизаторы с непрерывным регулированием. Однако если импульсный стабилизатор питается от сети, имеющей частоту 50 Гц, то наличие в схеме низкочастотного силового трансформатора в большой степени увеличивает его объем и массу и миниатюризация источника электропитания становится проблематичной. Одним из наиболее эффективных способов, с помощью которого может быть реализована задача миниатюризации при низких выходных напряжениях и больших токах нагрузки, является применение схем стабилизаторов с бестрансформаторным входом.

В стабилизаторах с бестрансформаторным входом вместо силового низкочастотного трансформатора используется сетевой выпрямитель, фильтр и высокочастотный статический преобразователь.

Замена низкочастотного силового трансформатора преобразователем позволяет значительно улучшить массогабаритные характеристики стабилизатора.

Рис. 4.5. Структурная схема стабилизатора с без трансформаторным входом

На рис. 4.5 приведен один из возможных вариантов структурной схемы стабилизатора напряжении с без трансформаторным входом. Напряжение сети выпрямляется выпрямителем В1, фильтруется фильтром Ф1, стабилизируется стабилизатором СТ и поступает на вход преобразователя Пр. Постоянное напряжение, преобразованное преобразователем, выпрямляется, фильтруется и поступает на нагрузку. Сигнал рассогласования с выхода измерительного элемента ИЭ, усиленный усилителем У, через устройство согласования УС вводится в цепь обратной связи стабилизатора напряжения. При изменении выходного напряжения в результате воздействия сигнала обратной связи изменяется напряжение на выходе стабилизатора и напряжение на выходе преобразователя, а следовательно, напряжение на нагрузке возвращаются к своему первоначальному значению.

Статические преобразователи широко применяются также в высоковольтных стабилизаторах напряжения.

Параметры стабилизаторов напряжения можно разделить на качественные, энергетические и массогабаритные, характеризующие их удельный объем и массу.

Основными качественными параметрами как параметрических, так и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока являются:

а) для стабилизаторов напряжения

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению -- отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора:

где , - приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки;

соответственно , - номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

В некоторых случаях качество стабилизации напряжения оценивается по статической ошибке , которая представляет собой отношение приращения выходного напряжения к его номинальному значению. Статическая ошибка, так же как и коэффициент стабилизации, определяется при неизменном токе нагрузки стабилизатора (I_н= const):

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора r_i, равное отношению приращения выходного напряжения приращению тока нагрузки при неизменном входном напряжении U_BX = const:



Вместо r_i может быть задана статическая ошибка стабилизатора по нагрузке дi при U_BX =const и изменяющемся токе нагрузки

дi =

Зная внутреннее сопротивление стабилизатора, можно определить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долей ома.

3. Коэффициент сглаживания пульсаций

где , -- амплитуды пульсации входного и выходного напряжений стабилизатора соответственно.

4. Температурный коэффициент стабилизатора,

б) для стабилизаторов тока

1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

2. Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки

3. Температурный коэффициент стабилизатора

Энергетическими параметрами стабилизаторов постоянного напряжения и тока являются:

1. Коэффициент полезного действия , равный отношению активной мощности, отдаваемой стабилизатором в нагрузку, к активной мощности, потребляемой стабилизатором от сети:

2. Мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе Р_РЭ, Массогабаритными параметрами стабилизаторов является удельная мощность

(P_вых/V_ст) (Вт/дм³) и (P_вых/G_ст) (Вт/кг),

где V_CT, G_CT -- объем и масса стабилизированного источника электропитания соответственно.

Стабилизаторы переменного напряжения (тока) характеризуются | дополнительными параметрами, а именно стабильностью выходного напряжения (тока) в зависимости от изменения частоты питающего напряжения, коэффициентом мощности cos ц, коэффициентом искажения формы кривой выходного напряжения (тока).

Размещено на Allbest.ru