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

в реальной схеме с конечным, но большим усилением изменения выходного напряжения малы, поэтому диапазон изменения напряжения Uq практически такой же, как и в идеальной схеме. Поскольку изменение постоянного напряжения, подзапирающего мост

Af/o = foma.4-t/omiM (12.7)

есть усиленное изменение выходного напряжения

Af-cp - V сртах - t/cpmin,

(12.8)

то коэффициент усиления напряжения цепи обратной связи от точек /-/ (первичная обмотка трансформатора Тр) до точек 2-2 (выход стабилизатора постоянного напряжения) для получения ошибки регулирования, равной А(7ср. должен быть

ky = AUjAV . (12.9)

Если необходимо стабилизировать действующее значение напряжения на выходе, которое определяется соотношением

у \ £/я (cos-co - cos 6)2 doit =

-f]/ [6 (1+0,5 cos 26)-0,75 sin 26], (12.10)

TO следует вместо схемы сравнения, приведенной на рис. 12.6, вклю-

чить схему, выходное напряжение которой пропорционально действую- щему, а не среднему напряжению.

Глава XIII

Преобразователи и инверторы

§ 13.1. Схемы преобразователей

Преобразователем (конвертором) называют такой вторичный источник питания, который, потребляя электрическую энергию от некоторого первичного источника постоянного тока при одном напряжении, создает на своем выходе тоже постоянный ток, но с другим напряжением. Применяют преобразователь, в частности, для питания высоковольтных нагрузок от низковольтного источника.

Современный преобразователь, как правило, имеет не один, а несколько выходов, на которых он позволяет получать от источника постоянного тока со свойственным ему номиналом напряжения (одним) различные номиналы напряжений. Преобразователь применяют и тогда, когда напряжения первичного источника и нагрузки одинаковы. В этом случае преобразователь на выходе создает напряжение, совпа-

И

и

Рис. 13.1

дающее по номиналу с входным, но отличающееся от него большей стабильностью, лучше поддающееся регулировке и т. д.

Структурная схема полупроводникового преобразователя напряжения, (рис. 13.1) включает в себя полупроводниковый инвертор И, преобразующий постоянный электрический ток в переменный, трансформатор Тр, повышающий или понижающий напряжение переменного тока до желаемой величины, выпрямитель В, преобразующий переменный ток вновь в постоянный, фильтр Ф, ряд вспомогательных устройств БУ, служащих для стабилизации, регулировки защиты и т. д.

Широкое применение преобразователей в современных вторичных источниках питания радиоаппаратуры объясняется высокой степенью насыщенности радиотехническими средствами различных подвижных аппаратов, в которых автономными первичными источниками энергии являются источники постоянного тока (солнечные батареи, топливные элементы, химические источники и др.). Такие источники успешно отдают в нагрузку электрическую энергию только при некотором, свойственном каждому из них выходном напряжении и не обеспечивают достаточной его стабильности.

Напряжение питания радиоэлектронной аппаратуры, являющейся нагрузкой для

первичного источника, выбирают чаще всего из других исходных соображений (обеспечение режимов транзисторов, отдачи ими необходимой мощности в нагрузку, получение нужного размаха колебаний напряжений сигналов и т..д.). Оно, как правило, не совпадает с напряжением, получаемьш от первичного источника ни по номиналу, ни по стабильности.

Объединяя ряд однородных первичных источников в батарею, можно сблизить номиналы выходного напряжения источника и напряжения, требуемого для питания нагрузки. Но.такое решение, во-первых, не приводит к повышению стабильности напряжения питания и, во-вторых, приемлемо только при согласовании одного первичного источника с одной нагрузкой.

Если необходимо обеспечить питание комплекса нагрузок, образующих радиосистему или ее часть, от нескольких разнородных первичных источников, то наиболее удобным способом оказывается применение преобразователя напряжения. Полупроводниковые преобразователи в настоящее время вытеснили электромашинные, вибрационные, тиратронные и ламповые преобразователи. Только в высоковольтных маломощных установках можно еще встретить ламповый преобразователь.

Полупроводниковые приборы в инверторах работают в режиме переключения. Такой режим позволяет относительно маломощным транзисторам управлять достаточно большой мощностью в нагрузке. Чтобы заставить транзисторы работать в режиме переключений,



необходимо обеспечить соответствующую величину н форму управляющих импульсов базовоготока.

Ярче всего полезные качества полупроводникового (транзисторного) инвертора проявляются в двухтактной схеме (рис. 13.2, а). В ней трансформатор не подмагничивается и обеспечивается непрерывный отбор мощности от первичного источника. Транзисторы Ту и Т насыщаясь поочередно, подключают источник первичного напряжения то к правой, то к левой первичным полуобмоткам трансформатора. На вторичной обмотке возникает э. д. с. прямоуголыюй формы, амплитуда которой во столько раз больше £ , во сколько раз число витков во

вторичной обмотке больше числа витков в первичной полудбмотке. При идеальной прямоугольной форме выходного напряжения инвертора (рис. 13.2, б) выпрямленное напряжение практически не требует фильтрации. В реальных схемах необходимо предусматривать фильтр, который в состоянии сглаживать узкие провалы, возникающие в выпрямленном напряжении из-за нейдеальности фронтов импульсов переменного напряжения.

В регулируемых инверторах прибегают к изл:енению длительности импульсов. Форма выходного напряжения при этом (рис. 13.2,в) имеет нулевую паузу. В транзисторном инверторе такая форма напряжения достигается выключением транзистора до истечения полупернода генерируемого инвертором переменного напряжения. Для этого длительность отпирающих импульсов базо- вого тока должна быть меньше полупериода. Находят применение два способа включения транзисторов в схему инвертора. В одном из них (см. рис. 13.2, а) общими электродами двух транзисторов являются эмиттеры, а во втором (рис. 13.3) коллекторы. В первой схеме проще цепн управления, а во второй проще размещение транзисторов на радиаторе, служащем для отвода тепла.

Схемы на рис. 13.2 и 13.3 представляют собой силовую часть инвертора с независимым (внешним) возбуждением. Напряжение, управляющее переключением транзисторов, подается на них извне, от специального генератора (возбудителя), также входящего в состав инвертора.

Транзисторные инверторы с независимым возбуждением, называемые еще усилителями мощности, применяют для получения выходной мощности переменного тока- от 20-50 до 500 Вт. Прн большей выходной мощности, особенно при большом первичном напряжении, применяют тиристорные инверторы.

При выходной мощности менее 20-50 Вт лучшие показатели обеспечивают схемы инверторов с самовозбуждением (рис. 13.4). В них переключение транзисторов производится напряжением, снимаемым с обмоток обратной связи с числом витков w,. Их же часто применяют

Рис. 13.2,

И как возбудители для управления транзисторами усилителя мощности.

В электрическом выпрямителе (см. гл. VI) цепн переменного-и постоянного токов связаны между собой вентилями. Поэтому характер нагрузки выпрямителя, стоящего в преобразователе, а именно характер реактивности нагрузки, включенной в цепь постоянного тока, сказывается на процессах, протекающих в самом инверторе, т. е. в цепях переменного тока. По этой же причине процессы, протекающие в выпрямителе, во многом определяются элементами цепи переменного тока, т. е. инвертором.

Таким образом, правильное представление о формах и величинах токов, протекающих через обмотки трансформатора, транзисторы инвертора, выпрямительные диоды, можно получить, рассмотрев весь преобразователь в совокупности. При этом следует иметь в виду.

ЦРс

W2 W2

Рис. 13.3

Рис. 13.4

ЧТО частота переключений в современных инверторах достигает десятков килогерц и существенный вклад в процессы, протекающие в силовой цепн преобразователя, вносят паразитные параметры узлов и деталей, входящих в преобразователь. Так, при частотах переключения, больших нескольких килогерц, следует учитывать такие паразитные параметры, как индуктивность рассеяния и межвитковую емкость трансформатора, индуктивность и сопротивление потерь конденсаторов, время включения й отключения транзисторов и диодов, некоторые монтажные емкости и индуктивности соединительных проводников.

Названные паразитные элементы компонентов преобразователя определяют в значительной мере и уровень высокочастотных помех, создаваемых преобразователем и попадающих в его выходную цепь. В некоторых случаях относительно высокий уровень высокочастотных помех заставляет отказаться от выгодного с энергетической точки зрения преобразователя, работающего на повышенной частоте, и применить менее выгодные способы получения стабильного и высоконадежного электропитания.

Проектирование и расчет полупроводникового преобразователя напряжения - задача сложная н многогранная. На характеристики



преобразователя существенное влияние оказывает инерционность процессов переключения транзисторов и диодов. Рассмотрим процессы, протекающие в преобразователе раздельно.

Выделим сначала те процессы, на которые инерционность транзисторов не оказывает влияния. Назовем их линейными. В течение линейного процесса один из транзисторов двухфазного инвертора насыщен, т. е. является линейным сопротивлением, а другой находится в состоянии отсечки. Магнитный поток в сердечнике трансформатора сравнительно медленно меняется под действием первичного источника. Изменение токов в схеме происходит только под влиянием энергии, накопленной в реактивных элементах, имеющихся в схеме, а если их нет, то токи в течение линейного процесса не меняются.

Затем рассмотрим процессы коммутации, в течение которых под влиянием транзисторов происходит изменение полярности выходного напряжения инвертора. Скорость и направление изменений токов во время процесса коммутации определяется не только реактивными элементами схемы, но и нелинейными элементами - транзисторами инвертора и диодами выпрямителя. Поскольку условия отключения и включения транзисторов и диодов в разных схемах инверторов и для разных схем выпрямителей различны, и процессы коммутации получаются также различными, целесообразно рассматривать процессы коммутации отдельно для каждой схемы преобразователя. В линейных процессах, наоборот, для различных схем инверторов имеется много общего.

Еще одной причиной, обусловливающей значительное внимание к коммутационным процессам, является то,.что в современных преобразователях, работающих на повышенной частоте, процессы коммутации составляют заметную часть периода. Поэтому расчеты, в которых не учитываются эти процессы, а предполагается мгновенное переключение нелинейных элементов схемы, дают малую точность.

§ 13.2. Линейные процессы в силовой цепи инвертора с независимым возбуждением

Для отделения линейных процессов от коммутационных примем, что транзисторы включаются и отключаются мгновенно, их выключение происходит с задержкой, равной - времени рассасывания заряда неосновных носителей в базе. Помимо этого, положим диоды выпрямителя безынерционными.

Схема преобразователя рис. 13.5, а содержит мостовой выпрямитель и двухтактный инвертор, выполненный по основной схеме, т. е. со средней точкой в первичной обмотке трансформатора. Если длительность открывающих транзисторы импульсов базового тока выбрана такой, что в сумме с временем рассасывания заряда в базах транзисторов она остается меньшей длительности полупериода Т, возбуждающего напряжения, то на вторичной обмотке трансформатора создается переменное напряжение U.2 прямоугольной формы с нулевыми паузами (рис. 13.5, г).

Длительность импульсов напряжения U. больше длительности возбуждающих импульсов на время Тр,. Соответственно длительность нулевой паузы в напряжении (/g будет равна

==Т-Г„-Гр., = 0-Т


г

т

(13.1)

Токи, протекающие по вторичной обмотке трансформатора и через выпрямительные диоды, для такого случая были определены в § 7.6 при выпрямителях с нагрузками, начинающимися и с индуктивности и с емкости.

Коллекторные токи транзисторов преобразователя представляют собой трансформированные в первичную обмотку соответствующие части тока i. Положительные импульсы тока трансформируются в верхнюю полуобмотку, протекают через транзистор Tj, а отрицательные - в нижнюю и транзистор Тз.

Амплитуда импульсов базового тока должна быть такой, чтобы, пропуская ток i. транзисторы оставались насыщенными, т. е. сопротивление резисторов 7?б должно быть выбрано из условия

7?б<(п-бэ)Р ктах. (13.2)

Степень выполнения неравенства (13.2) определяет степень насыщения транзисторов инвертора. Если теперь увеличивать длительность открывающих транзисторы импульсов - Т^, то нулевая пауза в напряжении щ будет сокращаться и при

=.Т - Трт исчезнет совсем (см. рис. 13.5, б, в).

В этом случае иа выходе мостовой схемы выпрямителя будет создаваться постоянное напряжение IJ (рис. 13.6, а, б), которое меньше амплитуды на величину падений напряжения на диодах выпрямителя и сопротивлении вторичной обмотки трансформатора. Считая сопротивление обмотки малой величиной,.запишем

U, = u2m-2{E + rjQ), (13.3)

где u2m = п{Е„ - - амплитуда напряжения з', /о - ток нагрузки выпрямителя; п = wWy - коэффициент трансформации.

Через транзистор инвертора будет протекать импульсный ток (рис. 13.6, в, г) с длительностью Т и амплитудой

4 = /г/о. (13.4)

в

г) . Рис. 13.5



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