Lab_ferrit_2 (Лабораторные работы)

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

уровню преобразуемой энергии источники питания делятся на мало-

ощные (до 1 кВт), средней (до 10 кВт) и большой (свыше 10 кВт) мощностей.

источниках питания преобразование энергии переменного тока в энергию ________________________________________________________________________

Выпрямитель с трансформатором → Фильтр → Стабилизатор → Нагрузка

А)

Выпрямитель → Фильтр → Инвертор → Выпрямитель → Фильтр →

→ Стабилизатор → Нагрузка

Б)

______________________________________________________________________

Рис. 9.1. Структурные схемы источников питания:

а — традиционная с сетевым трансформатором; б — с многократным

преобразованием

постоянного тока (выпрямление) осуществляют выпрямители, а преобразова­ние энергии постоянного тока в энергию переменного тока (инвертирование) — инверторы.

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. 9.1,5).

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 однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). На выходе прак­тически всех выпрямителей включаются сглаживающие фильтры и стабилиза­торы. Часто сглаживающие фильтры органически вписываются в структуру выпрямителя.

Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрям­ленного напряжения всегда нежелательно. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры (далее фильтры), которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В зависимости от на­значения электронной схемы коэффициент пульсаций напряжения пита­ния не может превышать определенных величин. В частности, для усили­тельных каскадов он должен быть не более 10^-4-10^-5 , а для автогенера­торов — 10^-5 -10^-6 и ниже.

В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы — кон­денсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое со­противления для переменного тока, и наоборот, большое и малое сопротив­ления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются в ис­точниках питания параллельно нагрузке Rн (как в AM-детекторе), а дроссели — последовательно с ней. Очень часто в источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров (рис. 9.4): емкостной, индуктивный, Г-образный и П-образный LC-фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания.

а) б) в) г)

Рис. 9.4. Сглаживающие фильтры: а — емкостной; б— индуктивный; в — Г-образный LС-фильтр; г — П-образный LC-фильтр

Управляемые (регулируемые) выпрямители

В последние годы в источниках вторичного питания применяют управ­ляемые (регулируемые) выпрямители, содержащие управляемые вентили и позволяющие регулировать в широких пределах выпрямленное напряжение или ток. Как правило, управляемые выпрямители относятся к мощным пре­образователям электрической энергии, и в них чаще всего используются три-нисторы (тиристоры).

На рис. 9.8 представлены соответственно схема включения (отметим, что потенциал питания — Еа, как и в транзисторных схемах, обозначают корпусом — землей) и ВАХ тринистора.

Не вдаваясь в подробности описания этих активных элементов, кратко на­помним, что тринистор — полупроводниковый прибор, имеющий два ус­тойчивых электронных состояния — включено — выключено. Тринистор со­держит три вывода: катод, анод и управляющий электрод.

Регулировку тока, протекающего через тринистор и нагрузку, осущест­вляют с помощью цепи управления. Если ток в цепи управления Iу0 = 0 (рис. 9.8, л и б), то включение тринистора происходит при анодном на­пряжении Ua ≥ Uвкл называемом напряжением включения. Это напряжение достаточно велико (десятки вольт), и его можно снизить путем подачи в цепь управления импульса тока управления Iу > Iу0, влияние величины которого на работу тринистора видно из его вольт-амперной характеристики на рис. 9.8, б.

Рис. 9.8. Тринистор: а — схема включения; б — ВАХ

Величина падения напряжения на открытом и насыщенном тринисторе ∆Uа = 0,5...1,5 В; ток насыщения при этом Iа = Iан. Выключается тринистор пу­тем снижения анодного тока Iа до величины, меньшей тока удержания Iуд, или подачей на него обратного напряжения.

На рис. 9.9 показаны схема управляемого выпрямителя с активной нагрузкой Rн и временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип его дей­ствия.

Тринисторы VS1 и VS2 в схеме (см. рис. 9.9, а) открываются поочередно при поступлении на их управляющие электроды импульсов управления с блока управления (БУ). Временное положение импульсов управления Uy1 и Uy2 по от­ношению к фазным напряжениям еа и ев определяется углом управления (регули­рования) а (см. рис. 9.9, б, в). Угол управления α соответствует задержке по фа­зе момента включения тринистора относительно естественного момента откры­вания выпрямительного диода, если он включен в схему вместо тринистора. При угле α = 0 управляемый выпрямитель становится неуправляемым. Тринистор VS1 включается в момент времени, когда фазовый угол v = α, и в момент време­ни, соответствующий углу v = π, выключается. На этом интервале к нагрузке Rн практически напрямую подключается фазное напряжение еа, и через нее про­текает ток i1. Тринистор VS2 проводит ток на интервале (π + α)...2π, под­ключая к нагрузке Rн фазное напряжение еb,. Выпрямленный ток iн на актив­ной нагрузке RH имеет ту же форму, что и напряжение uн (см. рис. 9.9, г).

Управляемые выпрямители характеризуются рядом специфических показа­телей. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Uнα от угла управления а называется регулировочной характеристикой и описывается формулой:

о

б)в)

Рис. 9.9. Однофазный управляемый выпрямитель: а — схема; б — г — временные диаграммы

практически

Управляемые

π √2 E2 1 + cos α

Uнα = 1/π ∫Em sinvdv =───── (l + cos α) = U н ───── (9.13)

α π 2

где Uн = 2 √2 E2/π — среднее значение выпрямленного напряжения при угле управления α= 0.

Итак, изменяя угол управления а от 0° до 180°, можно регулировать ам­плитуду напряжения на входе выпрямителя от номинального Uн до нулевого.

9.4. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Глобальная микроминиатюризация радиоэлектронных устройств привела к необходимости создания источников питания, построенных по нетрадицион­ной схеме. Основным ограничением для традиционных схем источников пи­тания являются масса и габариты сетевого трансформатора. Существенно уменьшить объем источников питания позволяет повышение частоты пи­тающего переменного напряжения. Поскольку частоту сети изменить невоз­можно, то современные источники питания создают по схеме выпрямителей с бестрансформаторным входом и дальнейшим (часто многократным) преобразо­ванием постоянного напряжения.

В схемах источников питания с преобразованием постоянного напряжения одного уровня в другой основной элемент — инвертор, являющийся высо­кочастотным (частота — десятки килогерц) автогенератором с внешним воз­буждением или самовозбуждением. Теоретически такой автогенератор должен вырабатывать переменное напряжение меандровой формы.

Классическая схема инвертора напряжения с самовозбуждением (другие названия: автогенератор с индуктивной обратной связью и насыщающимся сердечником — генератор Ройера, двухтактный блокинг-генератор, мульти­вибратор с трансформаторным выходом) содержит двухтактный ключевой усилитель с трансформаторным выходом, взаимно охваченный парой иден­тичных цепей положительной обратной связи (рис. 9.18, а). Ключевой уси­литель выполнен на транзисторах VT1 и VT2, а в качестве цепей ПОС ис­пользуются базовые обмотки W1 и W2 силового насыщающегося трансфор­матора Т, являющегося общим накопителем энергии (см. рис. 6.17) для обоих плеч автогенератора. Материал магнитопровода (сердечника) транс­форматора имеет близкую к прямоугольной характеристику насыщения — петлю гистерезиса, или петлю намагничивания (рис. 9.18, б: Bs — магнитная индукция насыщения магнитопровода силового трансформатора, Н — на­пряженность магнитного поля).