А. А. ЛОМОВ.

Научный руководитель - А. А. КИСУРИН – кандидат технических наук, доцент.

Воронежский государственный технический университет

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ С ИМПУЛЬСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ

Электропитание радиоэлектронной аппаратуры осуществляется средствами вторичного электропитания, которые подключается к источникам первичного электропитания, преобразует их переменное или постоянное напряжение вряд выходных напряжений различных номиналов как постоянного, так и переменного тока с характеристиками, обеспечивающими нормальную работу радиоэлектронной аппаратуры в заданных режимах. Для выполнения этих задач в состав средств вторичного электропитания входят как сами источники питания, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих их работу в составе комплекса радиоэлектронной аппаратуры.

Источник вторичного электропитания это устройство, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и обеспечения электропитанием отдельных цепей радиоэлектронной аппаратуры.

Функциональные узлы источников вторичного электропитания - устройства, выполняющие одну или несколько определенных электрических функций (выпрямление, фильтрацию, стабилизацию и др.) в составе источников вторичного электропитания.

В источниках вторичного электропитания находят применение выпрямительные устройства, выполняемые на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах. Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянные напряжения требуемой величины.

Выпрямительное устройство в большинстве случаев состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение питающей сети в более высокое или низкое, полупроводниковых диодов, осуществляющих выпрямление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения.

Основным элементом выпрямительного устройства является диод, который представляет собой нелинейный прибор. Сопротивление диода в прямом направлении, в сотни тысяч раз меньше, чем для тока, протекающего в обратном направлении. Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер нагрузки, т. е. схема сглаживающего фильтра.

Выпрямители, работающие на фильтр начинающийся с емкости (с емкостной реакцией), используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей имеют большую габаритную мощность по сравнению с выпрямителями с индуктивным фильтром. К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относятся большая амплитуда тока через диод.

Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт и при токах свыше 1А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод. Недостатком выпрямителей с индуктивным фильтром является перенапряжения, возникающие на выходной емкости и на дросселе фильтра при включении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки.

Выпрямители без сглаживающего фильтра применяются сравнительно редко в тех случаях, когда пульсация напряжения на нагрузке не имеет существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует в схемах многофазных преобразователей, имеющих малую пульсацию выпрямленного напряжения.

Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки. Поэтому большинство источников вторичного электропитания содержат в своем составе стабилизаторы напряжения и тока.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабистора, дросселя насыщения.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования. Различают следующие два основных типа компенсационных стабилизаторов с применением в качестве регулирующего элемента транзистора: непрерывные и импульсные.

По способу построения силовой части импульсные стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на три типа: последовательный, параллельный и параллельный инвертирующий.

Импульсный последовательный стабилизатор (понижающего типа) выполняется по структурной схеме приведенной на рис. 1 в которой регулирующий элемент РЭ и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой R_н. В качестве РЭ используется транзистор, работающий в режиме переключений, при котором он поочередно находится в режиме насыщения (когда он полностью открыт) или в режиме отсечки (когда он полностью закрыт). При открытом транзисторе в течении времени t_и энергия от входного источника постоянного тока U_п (или выпрямителя с выходным напряжением U₀) передается в нагрузку через дроссель L, в котором накапливается избыточная энергия. При закрытом транзисторе в течении времени t_п накопленная в дросселе энергия через диод VD передается в нагрузку.

Период коммутации (преобразования) равен:

.

Частота коммутации (преобразования):

.

Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью t_и к периоду коммутации T_п называется коэффициентом заполнения:

.

Иногда при расчетах удобно пользоваться скважностью:

.

В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент РЭ преобразует (модулирует) входное напряжение U_п(U₀) в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя L и конденсатора C демодулирует их опять в постоянное напряжение U_н. При изменении входного напряжения U_п(U₀) или тока в нагрузке R_н в импульсном стабилизаторе с помощью цепи обратной связи, состоящей из измерительного элемента ИЭ и схемы управления СУ, длительность импульсов изменяется таким образом, что выходное напряжение U_н остается стабильным с определенной степенью точности.

Рис. 1 Структурная схема импульсного последовательного стабилизатора.

В импульсных компенсационных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в режиме переключений. В режиме переключения рабочая точка транзистора большую часть периода коммутации находится в области насыщения или отсечки, в зону активной области проходит с высокой скоростью только в моменты переключения. Причем значение средней за период коммутации мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при работе его в непрерывном режиме.

Импульсный параллельный стабилизатор (повышающего типа) выполнятся по структурной схеме, приведенной на рис. 2, в котором регулирующий элемент РЭ (транзистор) подключен параллельно нагрузке R_н и также работает в импульсном режиме. Диод VD блокирует нагрузку R_н и

Рис. 2 Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора.

конденсатор фильтра C от регулирующего элемента РЭ. Когда регулирующий транзистор открыт, ток от источника питания U_п протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом отсекает (блокирует) нагрузку и не позволяет конденсатору C разрядиться через открытый регулирующий транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. В следующий момент времени, когда регулирующий транзистор закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением и энергия дросселя отдается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания U_п(U₀). В отличии последовательного стабилизатора здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становиться больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и скважностью работы регулирующего транзистора. Схема управления параллельным стабилизатором построена таким образом, что при повышении, например, входного напряжения питания U_п(U₀) уменьшается длительность открытого состояния t_и регулирующего транзистора на такую величину, что выходное напряжение U_н остается неизменным с определенной степенью точности.

Импульсный параллельный инвертирующий стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 3. В отличии от параллельного стабилизатора здесь параллельно нагрузке включен дроссель L, а регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра С и нагрузку R_н от регулирующего транзистора. Стабилизатор обладает свойством изменения (инвертирования) полярности выходного стабильного напряжения U_н относительно полярности входного напряжения питания.

Рис. 3 Структурная схема импульсного параллельного инвертирующего стабилизатора.

Из рассмотренных схем наибольшее применение находит последовательный импульсный понижающий стабилизатор в котором, сглаживание пульсаций осуществляется VDLC-фильтром. В стабилизаторах повышающего типа дроссель L не участвует в сглаживании пульсаций выходного постоянного напряжения. В них сглаживание пульсации достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройств целом.

В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения импульсные стабилизаторы могут быть отнесены к одной из трех импульсных систем регулирования: с широтно-импульсной модуляцией; с частотно-импульсной модуляцией; релейная система регулирования.

В импульсных стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению напряжения на нагрузке.

В импульсных стабилизаторах с частотно-импульсной модуляцией длительность импульсов напряжения является постоянной величиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально (следовательно, частота обратно пропорциональна) выходному напряжению.

В релейной системе регулирования формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжением нагрузки двух горизонтальных уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании среза. Поскольку форма изменения напряжения нагрузки в зависимости от напряжения питания и тока нагрузки может быть различной, то и частота в данной системе может изменятся в широких пределах.

Импульсные стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией по сравнению со стабилизацией двух других типов имеют следующие преимущества:

обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки; частота пульсаций на нагрузки является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;

реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа импульсных стабилизаторов напряжения, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких стабилизаторов от общего первичного источника питания. Кроме того при работе на нерегулируемый преобразователь возможна синхронизация частот обоих устройств.

Структурная схема системы управления для импульсного стабилизатора напряжения с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис. 4

Рис. 4 Структурная схема системы управления с широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема содержит делитель напряжения ДН, источник опорного напряжения ИОН, сравнивающий элемент 1, усилитель рассогласования У, формирователь синхронизирующего напряжения ФСН, сравнивающий элемент 2, пороговое устройство ПУ. Формирование модулированных по длительности импульсов u_п.у (t_и) происходит в пороговом устройстве, на вход которого поступает разность усиленного сигнала рассогласования _у и синхронизирующего напряжения u_з.г. Изменение длительности управляющего импульса осуществляется модуляцией его фронта и среза.

При модуляции фронта (рис. 5, а) линейно-изменяющееся напряжение синхронизации u_з.г на каждом периоде нарастает (скорость его изменения положительна). Поскольку пороговое устройство в общем случае может обладать гистерезисом (2) и инерционностью (за счет времени рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах), то его срабатывание происходит через и о момента управляющего напряжения с горизонтальными прямыми и -. Длительности воздействия на базу регулирующего транзистора импульсного стабилизатора напряжения управляющего импульса и паузы соответственно равны и .

При модуляции среза (рис. 5, б) напряжение u_з.г на каждом периоде спадает (скорость его изменения отрицательна). При модуляции фронта и среза (рис. 5, в) напряжение синхронизации на каждом периоде и нарастает и спадает. Этот вид модуляции по сравнению с односторонней модуляцией (рис. 5, а, б) позволяет реализовать более быстродействующие стабилизаторы, так кА в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на формирование фронта и среза.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряжения u_н на нагрузке:

,

где , - коэффициенты передачи делителя напряжения и усилителя рассогласования соответственно; - двойная амплитуда синхронизирующего напряжения.

Поскольку значение относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра импульсного стабилизатора напряжения физически не может быть больше единицы и меньше нуля то зависимость между и u_н имеет вид представленный на рис. 6

Рис 6 Характеристика широтно-импульсного модулятора

Рис. 5 Диаграмма изменения напряжений при модуляции фронта (а), среза (б) фронта и среза (в).

Вывод: Из проведенного анализа стабилизаторов видно что, для стабилизации в выпрямленного напряжения в источниках вторичного питания наиболее целесообразно использовать импульсный последовательный стабилизатор с системой управления на основе широтно-импульсной модуляции. Это позволяет максимально сгладить пульсации и получить высокий КПД и оптимальную частоту преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки, частота пульсаций на нагрузки является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии.

Примечание: Тезисы доклада в объеме 2 страниц формата А5 были посланы письмом по почте.

Список литературы:

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. / Г. С. Найвельт, К. Б. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др.; Под ред. Г. С. Найвельта. – М.: Радио и Связь, 1985. – 576 с.,ил.

2. Источники вторичного электропитания /С. С. Букреев, В. А. Головацкий, Г. Н. Гулякович и др.; Под ред. Ю. И. Конева. – М.: Радио и Связь, 1983. – 280 с., ил.

3. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ. радиолюбителя/Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Седов. – 4-е изд., стер. – Киев : Наук. Думка, 1988. – 800 с.,ил.

4. Источники электропитания. Любительские Схемы. Ч.2. Сост. А. А. Халоян. – М.: ИП Радиософт, ЗАО «Журнал «Радио», 2003. – 208 с., ил.