Лекции 9-10 - Конспекты (1095378), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Вто время, в частности, в маломощных ИЭП с электропитанием отгальванических батарей и аккумуляторов в качестве силовых ключейиспользовалисоздавалиэлектромагнитныйвибрационныепрерыватель-вибратор.преобразователи.ЧащеНавсегоегоосновевибраторыизготавливали на частоту 100 Гц, но иногда и на повышенную частоту (200400 Гц). По своей структуре такие ИЭП представляли собой ключевые ПН,предназначенные для получения более высокого напряжения постоянного илипеременного тока. Естественно, их массогабаритные показатели и надёжностьбыли низкие.

В то время РЭА, включая электронно-вычислительные машины,выполнялась на электронных лампах, а значит, требовала для электропитания7Электропитание РЭАГлава 7.1ИЭП с выходным напряжением в сотни вольт, но при сравнительно небольшихтоках (десятки миллиампер, иногда единицы ампер).В 1950-х гг. в ИЭП повышенной и большой мощности с успехомиспользовали ПН на тиратронах, которые работали уже на повышеннойчастоте: до единиц килогерц. Тиратрон – трёхэлектродный управляемыйионный прибор дугового разряда с положительной пусковой характеристикой.В качестве диодов использовали селеновые и электровакуумные (кенотроны)выпрямители. КПД, массогабаритные показатели и надёжность тиратронныхИЭП также оставляли желать лучшего.

Однако такие ИЭП применялисьпреимущественно ввоенной РЭАкак альтернативалинейнымИЭП,применявшимся в бытовой технике.После разработки промышленных образцов транзисторов в РЭА вместоэлектронных ламп стали всё более широко использовать полупроводниковыеприборы:вначалегерманиевые,азатемкремниевые.Применениеполупроводниковых приборов потребовало изменения номенклатуры ИЭП,которые обеспечивали бы на выходе низкие напряжения (до 60 В), но набольшие токи (до десятков ампер).Вместе с тем массовое применение импульсных ИЭП вплоть до конца1960-х гг.

было ограничено функциональными возможностями трёх главныхкомпонентов ИЭП: магнитопровода, силового ключа и выпрямителя. Лишь в1970-е гг. достижения в разработке всех категорий компонентов кардинальноизменили ситуацию на рынке ИЭП, особенно в тех секторах, где применениелинейных ИЭП было невозможно вследствие их неспособности обеспечитьтребуемый уровень мощности.Отметимопределяласьтакже,чтоэволюциейэволюциясиловогоимпульсныхключа.ОпускаяИЭПвосновномпервыйэлемент(электровакуумный), их можно расположить в следующей очерёдности:- магнитный усилитель (дроссель насыщения), используемый в основномв цепях переменного или пульсирующего тока;8Электропитание РЭАГлава 7.1- двухслойные и трёхслойные полупроводниковые приборы: диоды итранзисторы, применимые в однополярных цепях;- четырёхслойные приборы: тиристоры, симисторы;- интегральная приборы.В настоящее время в той или иной степени применяют почти все видысиловых ключей.

Только каждый из них занял свою нишу. Так, и мощные, изапираемые тиристоры применяют в системах электропривода на 100-1000 кВти более. В меньшей степени используют высокочастотные магнитныеусилители, в ряде случаев применимые в мощных низковольтных (2-5 В) цепяхна выходные токи 500-1000 A.

В основной массе импульсных ИЭП различноймощности (от десятков до тысяч ватт) применяют полевые транзисторы.В настоящее время сильна тенденция улучшения различных показателейкачества импульсных ИЭП: растут выходная мощность, КПД, надёжность,улучшаются и массогабаритные показатели, электромагнитная совместимость(ЭМС). В частности, диапазон выходных мощностей современных импульсныхИЭП с сетевым входом (AC/DC преобразователей) составляет от 5-10 Вт до 510 кВт и более. Величина КПД реально достигает 80-96% в зависимости отструктуры и типа первичной сети.

Максимальные значения удельной мощностиу AC/DC преобразователей составляют до 8 кВт/дм3, а у DC-DC – до 60 кВт/дм3(данные на 2017 г.).7.2 Принцип работы импульсных стабилизаторовТиповая структурная схема стабилизатора напряжения, РЭ которогоработает в импульсном режиме (режиме переключения), показана на рисунке7.2. Такой стабилизатор состоит из силовой цепи (силовой ключ К и фильтр Ф)и схемы управления СУ.В качестве РЭ обычно применяют транзистор, который быстро переходитиз области закрытого состояния (отсечки) в область открытого состояния(насыщения).9Электропитание РЭАГлава 7.1Рисунок 7.2 – Структура стабилизатора импульсного ИЭПСУ – схема управления; К – силовой ключ; Ф – фильтр; Uвх – напряжение на входестабилизатора; Uвых – напряжение на выходе стабилизатораПри импульсном регулировании РЭ преобразовывает напряжениепостоянного тока в последовательность импульсов напряжения (рисунок 7.3).Периодичность переключения обеспечивается схемой управления СУ.

Сигналрассогласованияпреобразуетсявпоследовательностьимпульсовсизменяющимися временны́ ми параметрами, которые затем воздействуют на РЭтаким образом, чтобы поддержать неизменным выходное напряжение Uвых. Навыходе стабилизатора имеется демодулирующее устройство, например LCфильтр, который вновь преобразует полученные импульсы в напряжениепостоянного тока.Рисунок 7.3 – Работа транзистора в режиме переключенияСУ – схема управления; Ф – фильтр; Uзи – напряжение затвор-исток;Uси – напряжение сток-исток; Ic – ток стокаКак правило, временны́ ми параметрами импульсов, воздействующих наРЭ, являются: длительность tвкл, период T, коэффициент заполнения D(рисунок 7.4).

При этом10Электропитание РЭАГлава 7.1DВеличинавыходногонапряженияtвкл.TUвых(7.1)зависитотсоотношениядлительности открытого tвкл и закрытого tвыкл состояний ключа. Частотапереключений РЭ составляет от единиц кГц до единиц МГц (в самыхсовременныхимпульсныхстабилизаторахчастотаможетдостигатьисотен МГц), поэтому сглаживание пульсаций достигается малогабаритнымфильтром, включенным после РЭ. Так как потери мощности в ключе малы,КПД достигает 80-97% при относительной нестабильности 0,1%.Рисунок 7.4 – Последовательность управляющих импульсовT – период следования импульсов; D – коэффициент заполнения; tвкл – длительностьимпульса; tвыкл – длительность паузы7.3 Управление регулирующим элементом7.3.1 Общие сведенияОптимальныйвыборспособауправленияРЭвобщемслучаеобосновывается как стремлением получить максимальный КПД импульсногостабилизаторасучётомширокогоизменениявходногоивыходногонапряжений и нагрузки (вплоть до холостого хода), так и желанием упроститьего СУ.

Также в случае выбора способа управления РЭ крайне важнымусловием является обеспечение высоких динамических показателей ИЭП и егоЭМС.В общем случае управление РЭ обеспечивается за счёт введения контураобратной связи (ОС). Именно этот контур позволяет получить ответнуюреакцию СУ импульсного стабилизатора на самые разнообразные возмущения,11Электропитание РЭАГлава 7.1связанные с изменением не только входного напряжения (необязательноплавного), но и его нагрузки и температуры. Другими словами, этот контуротвечает за стабилизацию выходного напряжения.Итак, назначение и основная функция петли ОС в импульсномстабилизаторе – поддержание выходного напряжения (или тока) на заданномуровне, зависящего только от значения опорного напряжения, с которым оносравнивается в петле регулирования.Один из наиболее важных компромиссов, который должен быть найденпри разработке импульсного стабилизатора, – это достижение приемлемогобаланса между стабильностью выходного напряжения ПН во всех условиях егоэксплуатации.

Или между приемлемым уровнем пульсации выходногонапряжения, малым диапазоном нечувствительности регулирования (диапазонфактических отклонений, где ПН может не изменять свои выходные величины),заданной точностью поддержания выходного напряжения и ответом надинамические изменения рабочих условий. Кроме того, контур управлениядолжен быть устойчив во всех заданных условиях работы, в том числе прималой нагрузке или даже в её отсутствии.

Таким образом, результат разработкипетли ОС является одним из ключевых факторов, определяющих общиехарактеристики импульсного стабилизатора.По способу управления РЭ импульсные стабилизаторы делят на двеосновные группы: стабилизаторы с импульсной модуляцией (широтноимпульсной, частотно-импульсной, фазовой) и стабилизаторы релейные.7.3.2 Широтно-импульсное регулированиеШиротно-импульсную модуляцию (ШИМ) осуществляют изменениемдлительности (ширины) управляющих импульсов tвкл (рисунок 7.5а) принеизменном периоде их следования ( T  const , частота f 1 const ). ИнымиTсловами, изменяется соотношение между длительностями открытого tвкл изакрытого tвыкл состояний регулирующего транзистора.

К примеру, среднее12Электропитание РЭАГлава 7.1значение выходного напряжения понижающего ПН связано с входнымнапряжением соотношениемU вых tвклU вх  DU вх .T(7.2)В соответствии с (7.2) диапазон регулирования выходного напряженияидеального понижающего ПН с ШИМ находится в пределах от нуля ( D  0 ) доUвх ( D  1 ).Принцип действия ПН с ШИМ заключается в следующем (рисунок 7.5б).Напряжение питающей сети Uвх передаётся в формирователь выходногонапряжения Ф через регулирующий ключ K, в качестве которого вподавляющембольшинствеслучаевиспользуюттранзистор.Выходноенапряжение Uвых зависит от энергии, передаваемой в формирователь выходногонапряжения Ф в единицу времени и нагрузки ПН.а)б)Рисунок 7.5 – Принцип широтно-импульсного регулирования (а) и структурапреобразователя напряжения с ШИМ (б)K – регулирующий ключ; Ф – формирователь выходного напряжения; МУ – модулирующееустройство; УПТ – усилитель постоянного тока; ДН – датчик напряжения; ИОН – источникопорного напряженияТаким образом, силовой ключ осуществляет управление процессомпередачи энергии от питающей сети к нагрузке.

При этом сигнал с датчика ДНвыходного напряжения Uвых сравнивается с опорным напряжением Uоп,снимаемым с источника опорного напряжения ИОН – и сигнал разности13Электропитание РЭАU  U вых  U опГлава 7.1через усилитель постоянного тока УПТ поступает намодулирующее устройство МУ, преобразующее сигнал постоянного тока вимпульсы с различной длительностью и постоянным периодом. Инымисловами,длительностьимпульсовуправляющегонапряженияUупрфункционально связана с разностью напряжений ΔU.

С МУ сигнал поступает нарегулирующий ключ K, который периодически переключается. Таким образом,выходное напряжение Uвых зависит, при неизменном периоде, от длительностиуправляющих импульсов.После РЭ напряжение имеет импульсную форму, а значит непригодно длянепосредственного электропитания нагрузки. Прежде чем подать напряжениена нагрузку, его необходимо сгладить, для чего в качестве формирователявыходного напряжения Ф используют индуктивно-ёмкостные сглаживающиефильтры (Г-, П-образные и других видов).Усреднённое напряжение, приложенное к нагрузке, будет иметь вид:U вых1TtвклRIН Н t  dt ,(7.3)0где IН(t) – ток через нагрузку; RН – сопротивление нагрузки.Отметим, что в зависимости от индуктивности сглаживающего дросселяток через LC-фильтр может перестать течь к началу очередного импульса(тогда говорят о режиме прерывистых токов – discontinuous conduction mode,или DCM) или продолжает течь (в этом случае говорят о режиме непрерывныхтоков – continuous conduction mode, или CCM).Принципформированияуправляющихимпульсовприширотно-импульсном регулировании поясняется на рисунке 7.6.

Характеристики

Список файлов лекций