в источниках постоянного тока во время эксплуатации может меняться величина выходного напряжения, а в источниках переменного тока - как амплитуда напряжения, так его форма и частота. Все эти изменения сказываются на работе последующих блоков источника питания, поэтому для получения хороших показателей от всего источника при больших колебаниях напряжения первичного источника часто в схему вводят стабилизатор первичного напряжения (СТПН на рис. 5.1).

Примерами подобных стабилизаторов являются стабилизаторы переменного напряжения на магнитных усилителях или входные стабилизаторы постоянного напряжения на транзисторах. Стабилизатор первичного напряжения уменьшает изменения величины, а иногда и формы напряжения первичного источника и тем самым облегчает работу всех последующих каскадов источника питания.

Инвертор (Инв на рис. 5.1) включается в источник питания только при первичном источнике постоянного тока и служит для того, чтобы преобразовать постоянный электрический ток в переменный. Такое преобразование необходимо для изменения напряжения в участке сети с помощью трансформатора (ТР) - весьма простого и надежного устройства.

Выпрямитель (Вб/лр на рис. 5.1), являющийся последующим каскадом рассматриваемой структурной схемы, превращает переменное напряжение, полученное на выходе инвертора и повышенное или пониженное трансформатором, вновь в постоянное. Выпрямитель не создает на своем выходе идеального постоянного напряжения. Помимо постоянной составляющей напряжения на его выходе присутствуют гармоники выпрямляемого переменного напряжения, называемые пульсациями. Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя обычно включают сглаживающий фильтр (Ф на рис. 5.1).

Между фильтром и ..-нагрузкой (Нагр) в современных источниках питания практически всегда включают стабилизатор выходного напряжения (Cm вых Н) или тока. Этот стабилизатор служит для поддержания постоянства напряжения на нагрузке или тока в ней при изменениях величины сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника, значений элементов схемы стабилизатора, вызванных старением, отклонениями условий эксплуатации источника питания от нормальных и другими причинами. Определяя выходные характеристики всего источника питания, стабилизатор выходного^ напряжения является наиболее сложной и наиболее ответственной его частью.

Помимо названных, в состав источника питания входит достаточно большое количество других элементов и устройств, которые называют вспомогательными {Вт У на рис. 5.1). К ним относятся специальные схемы и аппараты, служащие для включения, выключения и регулировки режима работы как всего источника питания, так и его отдельных каскадов, схемы защиты источника от возможных перегрузок и неправильных включений, устройства, программирующие работу источника, дополнительные источники питания для различных каскадов и т. д.

Часть элементов рассмотренной структурной схемы, полученная исключением первичного источника и нагрузки (она обведена боль-щам штриховым прямоугольником на рис. 5.1), составляет так называемый вторичный источник питания {ВИП). Он является преобразователем электрической энергии, получаемой от первичного источника, н обеспечивает ряд ее характеристик (номинал напряжения, род электрического тока, стабильность и др.), необходимых для питания нагрузки.

Малый прямоугольник на рис. 5.1 выделяет из вторичного источника часть, которая называется преобразователем (конвертором). Преобразователь, получая электрическую энергию от источника постоянного тока с одним напряжением, отдает ее в нагрузку под другим напряжением.

Не каждый источник питания строится по приведенной структурной схеме. В ряде случаев отдельные каскады могут и исключаться. Связь между каскадами может быть и не такой, как показано на рис. 5.1. Например, в простейших вторичных источниках питания может не быть стабилизатора, преобразователя, а иногда и выпрямителя с фильтром.

Первичный источник не всегда включается в состав источника питания радиоустройств. Во многих случаях первичным источником является электрическая сеть промышленного предприятия, самолета, корабля и т. д., которая снабжает энергией не только радиоустройства, но и большое число других потребителей энергии. Поэтому ее (сеть) и неудобно включать в источник питания радиоустройств.

Стабилизация выходного напряжения может осуществляться стабилизатором первичного напряжения, если управлять его работой с помощью чувствительного элемента, подсоединенного к нагрузке. Такие схемы называют схемами стабилизированных источников с регулированием на входе, а при первичном источнике переменного тока - схемами с регулированием на стороне переменного тока.

Следует иметь в виду, что рассмотренная структурная схема представляет как бы один канал источника питания, обеспечивающий только один из номиналов напряжения питания. Современные источники являются многоканальными, так как обычно обеспечивают электропитание по нескольким, иногда и более десяти, каналам с разными номиналами напряжения и тока, пульсациями и стабильностями.

Ряд каскадов в многоканальных источниках могут быть общими. Разветвление каналов может быть произведено как после первичного источника, так и после стабилизатора первичного напряжения, инвертора и т. д. Отдельные каналы одного источника питания могут содержать различное число каскадов в зависимости от требований, предъявляемых к стабильности выходного напряжения, пульсациям, скорости Переходных процессов и т. д.

Во многих радиосистемах применяют не один, а несколько первичных источников разного типа, обеспечивающих электропитание различных условиях работы. Переключение первичных источников, Постановку части их на подзаряд или резервирование осуществляют специальные вспомогательные устройства. В этом случае ветвление

структурной схемы происходит в направлении, противоположном тому, которое было в многоканальном источнике. Слияние каналов, идущих от разных первичных источников, может выполняться в различных точках рассмотренной структурной схемы.

Примером несколько иной компоновки структурной схемы вторичного источника питания является схема с вольтдобавкой (рис. 5.2, а). В ней вторичный источник, построенный по рассмотренной ранее схеме, формирует не все напряжение питания, подводимое к нагрузке, а только его часть - вольтдобавку . Полное выходное напряжение Во является суммой напряжений первичного источника Ei и вторичного вольтдобавочного источника (ВДУ) - Е^. Регулируя вольт-добавочное напряжение, можно получить выходное напряжение нужной величины и с необходимой стабильностью.

~ ВДУ

jlf 0

ч

Рис. 5.2

Достоинством подобной схемы является то, что ВИП - ВДУ преобразовывает не всю мощность, забираемую нагрузкой от первичного источника, а только часть, и поэтому получается конструктивно проще.

Если нагрузка такова, что ей свойственно время от времени забирать от первичного источника аномально большие в сравнении со средним значением токи, то удобно выполнить ВИП по схеме рис. 5.2, б, содержащей помимо основного {ВИПЛ) дополнительный источник {ВИП-2), который можно назвать ампердобавочным устройством. Кратковременность режима перегрузок аномальными токами позволяет выполнить ВИП-2 конструктивно простым.

Выпрямителю с вольтдобавкой (рис. 5.2, в) свойствен сложный режим переключений, заключающийся в чередовании во времени этапов работы основного и вольтдобавочного (ВД) выпрямителей. Часть каждого из периодов, выпрямляемого переменного напряжения, работает основной выпрямитель, а часть - вольтдобавочный. В зависимости от величины тока нагрузки и требуемого выходного напряжения меняется соотношение этих частей периода. В максимальном режиме работает один вольтдобавочный выпрямитель, а основной полностью заперт.

В приведенных схемах, как основные блоки, так и вольт- и ампер- j добавочные формируются из каскадов включенных в ВИП на рис. 5.Ь

Рис. 5.3

ц^о и придает ей общий характер. Конкретный набор каскадов и способы их соединения определяются как характером первичных источников, так и требованиями к величинам выходных напряжения и токов н стабильности этих величии.

Инверторы и выпрямители, входящие в преобразователь, обладающие малыми габаритами, высокой надежностью, стали применять и во вторичных источниках, работающих от промышленной сети переменного тока (рис. 5.2, г). Эти источники включают в себя бестрансформаторный выпрямитель сетевого напряжения {ВыпрЛ), фильтр (Ф), инвертор [ИНВ) и выпрямитель выходного напряжения инвертора [Выпр-2).

Преимущества такого построения заключаются в том, что трансформатор оказывается здесь включенным в участок сети, колебания в котором создаются инвертором и имеют повышенную частоту (до 100 кГц).

В заключение вернемся еще раз к структурной схеме рис. 5.1 и познакомимся со схемами замещения нагрузки источника питания. Нагрузкой источника питания является какое-либо радиоустройство, а в нем заметная часть электрической мощности рассеивается в нелинейных элементах - транзисторах, диодах и т. д. Поэтому и полное сопротивление, оказываемое нагрузкой (радиоустройством) постоянному току, нелинейно, т. е. зависит от величины потребляемого тока.

При энергетических расчетах в эквивалентных схемах источников питания нагрузка заменяется активным (омическим) сопротивлением, поглощающим ту же мощность, что и соответствующее радиоустройство или его каскад, если источник рассчитывается для питания одного каскада. Иначе, сопротивление нагрузки 7, заменяющее устройство, потребляющее постоянный ток /<, при постоянном напряжении U,

Rn-Ujh- (5.1)

Нелинейность реальной нагрузки приводит к тому, что такая замена не является полной. При изменении напряжения питания постоянный ток, потребляемый нагрузкой, будет меняться, причем не так, как ток омического сопротивления R. Если реальной нагрузке соответствует вольт-амперная характеристика (зависимость среднего значения потребляемого тока от среднего значения подводимого напряжения), изображенная на рис. 5.3 (кривая 1), и номинальное значение напряжения есть (Уон. то изменению напряжения на MJ будет Соответствовать прирост потребляемого тока A/q, совсем не равный тому, который получился бы при линейной нагрузке (линия 2). Вольт-амперная характеристика линейной нагрузки всегда изображается прямой, проходящей через начало координат.

Линейную схему замещения реальной нагрузки для небольших приращений напряжения питания можно получить, заменив участок

кривой / касательной (линия 3). Наклон этой касательной определит дифференциальное сопротивление нагрузки:

Я1, = Ш,/М,. (5.2)

Таким образом, нагрузку с любым конкретным физическим содер. жанием при рассмотрении источника питания и расчете его показателей будем в дальнейшем заменять сопротивлением Р„ (сопротивлением нагрузки постоянному току) при расчете энергетических показателей источника и сопротивлением Ri (сопротивлением нагрузки переменному току) при расчете дифференциальных показателей источника питания.

В процессе работы радиоустройства потребляемый им ток колеблется. Быстрые колебания тока с частотой, равной или большей частоты выпрямляемого переменного напряжения, не сказываются на выпрямителе, так как сглаживаются накопительными элементами в его фильтре и в первую очередь конденсатором с большой емкостью, включенным параллельно его выходным зажимам.

Чтобы обеспечить лучшие условия работы стабилизатора выходного напряжения, на его выходе всегда включают конденсатор, заряд которого достаточен для демпфирования быстрых колебаний тока нагрузки. Поэтому от быстрых колебаний источник питания защищен. Однако колебания потребляемого нагрузкой тока могут быть таковы, что в процессе работы будет медленно меняться среднее значение потребляемого ею тока. Поэтому при проектировании источника питания следует иметь в виду, что сопротивление нагрузки может меняться не только при изменении напряжения питания, но и из-за изменения режима работы радиоустройства и вида проходящего по нему радиосигнала.

§ 5.2. Характеристики источника питания и его отдельных каскадов

Основной характеристикой любого источника питания, так же как и каждого его каскада, является внешняя характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от величины выходного тока (рис. 5.4).

Семейство кривых рис. 5.4, а характерно для первичных источников питания. В данном случае приведены внешние характеристики солнечной батареи. Основная кривая У дает зависимость напрян^ення от тока нагрузки при нормальных условиях освещения (например, ясный день в средних широтах, солнце высоко над горизонтом) и нормальной температуре. Кривая 2 дает ту же зависимость, но при более интенсивном освещении (батарея поставлена нормально к солнечным лучам), а кривая 3 соответствует тем же условиям освещения, что и кривая У, но батарея работает при более низкой температуре. Учет остальных факторов, влияющих на работу солнечной батареи, еще больше расширит семейство внешних характеристик. Аналогичные зависимости получаются и для других типов первичных источников энергии. Их выходное напряжение зависит от величины подводимой

К ним энергии, тока нагрузки и характеристик окружаюи1,ей среды.

Внешняя характеристика стабилизатора выходного напряжения (рис. 5.4, б) при высоком качестве стабилизатора сливается на рабочем участке АВ в одну линию.

Для оценки стабильности выходного напряжения или тока используют коэффициенты нестабильности, причем их определяют для каждого из параметров, вызывающего изменения выходной величины. Так, для солнечной батареи по характеристикам рис. 5.4, а можно определить в любой рабочей точке нестабильность выходного напряжения, вызываемую изменением мощности светового потока. Коэффициент нестабильности в данном случае будет определяться как отношение отклонения выходного напряжения At/ к вызвавшему это отклонение Ugu, изменению светового потока ДФ:

Ф = А^;/АФ. (5.3)

Его удобно назвать коэффициентом нестабильности по входной световой мощности.

Нестабильность напряжения, вызван-ная изменением температуры, может быть оценена тепловым коэффициентом нестабильности, измеряемым в вольтах на градус Цельсия:

- k,=AU JM. (5.4)

Для определения изменений напряжения выпрямителя и стабилизатора

при колебаниях величины подводимого к ним напряжения Е следует пользоваться коэффициентом нестабильности по входному напряжению:

кЕ = ШиЕ. (5.5)

Иногда пользуются не абсолютными коэффициентами нестабильности, а относительными, представляющими собой отношение процентных изменений выходной величины и дестабилизирующего фактора.

Например, для относительного коэффициента нестабильности по входному напряжению получим

£отн = А^/вых£/(А£/зь,х). (5-6)

Изменения выходного напряжения, вызываемые колебаниями тока нагрузки, для любого источника или каскада определяются выходным, или, как его еще называют, внутренним, сопротивлением источника или каскада. При нелинейной внешней характеристике это сопротивление является дифференциальным и определяется в каждой рабочей точке как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его отклонению выходного тока, взятое с обратным знаком:

/?вых = -А^вых/А/в

(5.7)