Главная  Электроустройства и узлы радиосистем на постоянном токе 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

Знак минус введен в- это выражение потому, что у источника с положительным выходным сопротивлением при росте тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.

В семействе внешних характеристик выходное сопротивление определяет наклон каждой из кривых и может быть вычислено графически. Выходное сопротивление является одним из важнейших показателей источника питания или его каскада, так как определяет зависимость напряжения на нагрузке от величины потребляемого ею тока. В самом деле, если источник постоянного тока обладает линейной внешней характеристикой (рис. 5.5, а), то его эквивалентная схема замещения будет состоять из двух элементов: э. д. с. холостого хода Ввых и внутреннего сопротивления Т^вых (рис. 5.5, б). Ток в сопро-

и

Вых Up


Чых

1 Unn

Рис. 5.5


тивлении нагрузки R, напряжение на ней и мощность, отдаваемая источником, будут соответственно равны:

- -вы.х/

х/(н +вых), 0 = -вых ~ О^вых = вых^н/(н + вых), 0 ~ £вых^н/(н + вых)-

(5.8) (5.9) (5.10)

Изменения сопротивления нагрузки вызывают изменения мощности, отдаваемой источником. Наибольшая мощность будет выделяться на нагрузке в том случае, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению = 7?вых- Эта максимальная мощность тем больше, чем меньше выходное сопротивление:

отах - -вых/(4вых)-

(5.11)

Если внешняя характеристика источника нелинейна (рис. 5.5, в), то выходное сопротивление в каждой рабочей точке будет иметь различную величину. Нахождение отдаваемой источником мощности в этом случае удобно производить графически. Для этого необходимо решить совместно два уравнения. Первое нелинейное уравнение внешней характеристики:

fo==f(/o). (5.12)

а второе уравнение для нагрузки:

о = Ф(/о)-

(5.13)

Если нагрузка представляет собой линейное сопротивление, то, ,<ак было уже сказано, ее характеристто представляется на графике прямой линией с наклоном (угол а), определяемым сопротивлением Точка пересечения А характеристик (рис. 5.5, в) дает совместное решение двух уравнений и, следовательно, определяет установившиеся выходное напряжение Va и ток /qq. Мощность, отдаваемая источником, определяется площадью прямоугольника с вершиной, лежащей в точке А. Произведя несколько последовательных построений для разных значений можно найти как оптимальное для данного источника сопротивление нагрузки, так и максимальную мощность, отдаваемую источником. Максимальная мощность отдается в оптимальную нагрузку.

Зависимость выходного напряжения от отдаваемого источником тока вызывает также и связь между несколькими радиоустройствами, подключенными к этому источ-

нику, или каскадами одного ра-дноустройства. Эта связь через общий источник питания (общее Явых источника) приводит к взаимовлиянию работы радиоустройств или его каскадов и может привести как к взаимным помехам, так и к отказу Б работе.

В сложных установках, содержащих много каскадов, устранить взаимовлияние, вызванное связью через общий источник

питания, достаточно трудно. Поэтому и приходится применять стабилизаторы напряжения, имеющие очень малое выходное сопротивление, а в каскадах радиоустройства, чувствительных к такому влиянию или являющихся источниками нестабильности, предусматривать фильтры-развязки, изолирующие их от общего источника питания.

Простейший фильтр получается при подсоедипении конденсатора С (рис. 5.6) параллельно выходным клеммам источника. Выходное сопротивление источника с таким фильтром зависит от частоты изменения тока нагрузки, со и для его переменных составляющих, имеющих частоту СОд > 1/(С/?вых), будет определяться лишь емкостным сопротивлением 1/(со С) и, следовательно, может иметь малую величину при любом значении 7?вых.

Связь между двумя устройствами и У^. (их эквивалентные нагрузки 7? и R будет определяться емкостью конденсатора С и при Значительных величинах со окажется весьма слабой.

До сих пор речь шла лишь об источниках и стабилизаторах напряжения. Источник напряжения должен поддерживать постоянным па-пряжение на выходе при изменении тока нагрузки в заданных пределах. Следовательно, его выходное сопротивление должно быть как можно меньше, а выходная характеристика почти горизонтальной.

Рис. 5.6



Стабилизатор тока должен поддерживать постоянным ток через нагрузку при изменении напряжения па ней. Выходное сопротивление источника тока на рабочем участке должно быть как можно больше и в соответствии с этим рабочий участок его внешней характеристики получается почти вертикальным.

Это отличие источника напряжения от источника тока накладывает отпечаток и на показатели соответствующих схем. Для источника напряжения приводились коэффициенты нестабильности, учитывающие изменение выходного напряжения, а для источника тока, соответствующие коэффрщненты необходимо подсчитывать как отношение изменений выходного тока к отклонениям дестабилизирующих факторов. Поскольку большинство радиоустройств требует для сохранения режима постоянных питающих напряжений, в схемах питания источники напряжения и стабилизаторы напряжения встречаются гораздо чаще, чем источники тока и стабилизаторы тока.

Необходимо отметить, что иногда один и тот же элемент может использоваться как источник напряжения и как источник тока. Это определяется выбором рабочего участка внешней характеристики. Например, солнечная батарея (см. рис. 5.4, а) при малых токах нагрузки ведет себя как источник напряжения, а при токах нагрузки, близких к току короткого замыкания, - как источник тока.

Самой общей и наиболее часто применяемой оценкой качества источника питания являются его удельные массовые и объемные характеристики. Они позволяют сравнивать совершенно различные по принципу работы, источники питания по массе и объему, приходящемуся на один ватт мощности, отдаваемой в нагрузку (удельные мощ-нЬстные характеристики), или один ватт-час энергии, отдаваемой Ё нагрузку (удельные энергетические характеристики).

Особенно удобны эти характеристики для оценки первичных источников. При питании устройств, создающих пиковую нагрузку, более важны удельные мощностные объемная и массовая характеристики:

Pv = PjV, (5.14)

Po-PJG, (5.15)

где Р„ - мощность, отдаваемая в нагрузку, Вт; G - масса источника питания, кг; V - его объем, дм.

Если же источник должен работать на постоянную нагрузку в течение долгого времени, то для него более важны хорошие удельные энергетические объемная и массовая характеристики qy и до- Эти характеристики определяются отношениями:

(5.16) -(5.17)

где Q - энергия, отдаваемая в нагрузку за время работы.

Все удельные характеристики зависят от режима работы источника, запасов, заложенных в него для обеспечения надежности, и внешних условий. Поэтому правильный выбор источника питания можно сделать лишь на основе анализа семейства кривых, определяющих его

удельные характеристики в зависимости от нагрузки, внешних условий и прочих причин, влияющих на работу источника.

Влияние нагрузки источника питания на его удельные характеристики удобно оценить по зависимости его энергетических показате-дей от мощностных.

Примером такой зависимости являются графики рис. 5.7, а, б для иикель-кадмиевого аккумулятора НК-Ю. При малом сопротивлении нагрузки аккумулятор


8 р^,Вт/кГ а)


О 5

10 15 20ру,Вт/Зм б)

Рис. 5.7

отдает запасенную в нем энергию за малое время и поэтому получается большая мощностная отдача. Однако значительный наклон характеристик показывает, что чем быстрее разряжается аккумулятор, тем меньшую энергию он отдает в нагрузку и большая ее часть теряется в самом источнике.

Построенные на рис. 5.7 для разных температур окружающей среды характеристики показывают, что качественные показатели аккумулятора заметно ухудшаются при его охл&ж-дении. К источникам питания радиоустройств предъявляются не только требования стабильности в работе, малых массы и габаритов, но и целый ряд других. Однако приведенные пояснения показывают, как подходить к оценке качеств источника питания и какие надо потребовать для этого характеристики.

Глава VI

Выпрямители и фильтры

§ 6.1. Схема электрического выпрямителя и его показатели

Электрический выпрямитель получил широкое применение как наиболее универсальный преобразователь переменного тока в постоянный.

Выпрямление в электрическом выпрямителе достигается из-за включения в его состав электрического вентиля. Излом вольт-амперных характеристик вентиля приводит к тому, что он пропускает ток преимущественно в одном направлении (рис. 6.1, а).

При рассмотрении процессов выпрямления характеристику вентиля идеализируют, представляя ее (рис. 6.1,6) линейно-ломаной / (идеальный вентиль), линейно-ломаной линией 2 (идеализированный



вентиль с потерями) или линейно-ломаной линией 3 (идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления).

В качестве вентилей в настоящее время применяют почти исключительно полупроводниковые диоды. Порог выпрямления кремниевых диодов лежит в пределах 0,4-0,8 В, а германиевых 0,15-0,2 В. Для низковольтных выпрямителей (выпрямленное напряжение менее десяти вольт) порог выпрямления кремниевых вентилей составляет заметную часть выходного напряжения и его следует обязательно учитывать прн расчетах, выбирая в качестве расчетной модель вентиля с порогом. Для выпрямителей с выходным напряжением более 10 В можно проводить расчет и на основе модели вентиля без порога выпрямления.

Наклон спрямленной характеристики вентиля с потерями определяет внутреннее сопротивление вентиля - г^.

----


Рис. 6.2

Величины сопротивлений зависят от допустимого прямого тока вентиля и лежат в пределах от десятков ом (слаботочные диоды) до долей ома (сильноточные диоды).

Прямой ток вентиля ограничивается его разогревом из-за потерь электрической мощности, про.порциональных падению напряжения на вентиле. При обратном напряжении полупроводниковый вентиль пропускает, хотя н малый, но отличный от нуля обратный ток. Этим током, как правило, пренебрегают. Только в высоковольтных выпрямителях при токах нагрузки, меньших одного миллиампера, учет обратного тока вентилей может привести к заметным поправкам.

Следует отметить, что малый обратный ток соответствует обратному напряжению, не превосходящему некоторого предела. За этим пределом обратный ток резко возрастает и вентиль пробивается. Это обстоятельство ограничивает величину обратного напряжения, которое может быть приложено к вентилю.

Схема простейшего электрического выпрямителя (рис. 6.2) содержит трансформатор, вентили и нагрузку.

Трансформатор необходим для преобразования напряжения сети к величине, удобной для дальнейшего выпрямления и гальванической развязки нагрузки выпрямителя от сети.

В общем случае у него обмоток (фаз) в первичной цепи и т фаз во вторичной цепи.

В приведенной схеме как первичные, так и вторичные обмотки соединены в звезду. В подавляющем большинстве схем вторичные обмотки именно так и соединяются. Что же касается первичных обмоток, то они могут соединяться и в многоугольник.

К концу каждой из вторичных обмоток подсоединен анод вентиля. Катоды всех вентилей подсоединены к сборной шине, которая и является одним (в данном случае положительным) выводом выпрямителя. Второй вывод выпрямителя (отрицательный) берется от средней точки звезды вторичных обмоток трансформатора. К этим выводам и подключается нагрузка выпрямителя.

Из-за нелинейности характеристик вентилей ток в каждой из вторичных обмоток может протекать только в одну сторону. Через нагрузку протекает суммарный ток всех фаз (вентилей) вторичной обмотки, имеющий значительную постоянную составляющую (выпрямленный ток).

Если изменить полярность включения всех вентилей на обратную, т. е. подсоединить их катодами к концам вторичных обмоток, а анодами к сборной шине, то выпрямленное напряжение изменит свою полярность.

Для уменьшения переменных составляющих в выходном напряжении между нагрузкой и выпрямителем включают фильтр, называемый сглаживающим. Необходимость в фильтре вызывается тем, что мгновенная мощность переменного тока пульсирует во времени, а мгновенная мощность постоянного тока неизменна. Следовательно, для получения на выходе постоянного тока в выпрямителе должен быть элемент, запасающий избыток (по отношению к среднему значению) мощности в те моменты, когда мощность переменного тока близка к максимуму, и отдающий этот запас в нагрузку в моменты, соответствующие минимуму мгновенной мощности переменного тока.

Накопление (запасание) мощности можно осуществить лишь в реактивных элементах (катушках индуктивности или конденсаторах), поэтому фильтр должен содержать в своем составе хотя бы один такой элемент.

Из двух схем выпрямителей, содержащих один накопительный элемент в накопителе (рис. 6.3, а, б), практическое применение находит лишь схема с конденсатором.

У схемы с дросселем, примененным в качестве накопителя энергии, нельзя получить малое выходное сопротивление для переменных составляющих тока нагрузки. Связано это с тем, что индуктивность дросселя L, по которому протекает весь ток нагрузки, для хорошего сглаживания пульсаций должна быть значительной. А при большой Индуктивности дросселя на нем возникают большие падения напряжения при изменениях тока нагрузки.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов