Источники питания радиоэлектронных устройств

Источники питания

 

Методическое пособие по дисциплине

«Источники питания радиоэлектронных устройств»

 

 

Составил В. И. Чепелев

 

Тольятти 2006

 

Источники питания. 1

Источники питания радиоэлектронных устройств. 4

1 Выпрямители и их основные параметры. Классификация. 6

2 Управляемые полупроводниковые вентили-тиристоры.. 8

3 Параллельное и последовательное соединение диодов. 10

4 Однофазная однополупериодная схема выпрямления. 11

5 Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым проводом.. 14

6 Однофазная мостовая схема выпрямления. 16

7 Работа выпрямителей на различные виды нагрузки. 18

7.1 Работа выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией. 18

7.2 Работа выпрямителя с индуктивной реакцией нагрузки. 20

8 Управляемые выпрямители на тиристорах. 22

9 Расчет выпрямителей. 26

9.1 Расчет выпрямителей, работающих на емкостной и Г-образный RC фильтры.. 26

10 Сглаживающие фильтры.. 29

10.1 Параметры фильтра. 29

10.2 Расчет индуктивно-емкостных фильтров. 29

10.3 Расчет резистивно-емкостных фильтров. 30

10.4 Активные фильтры.. 31

11 Расчет трансформаторов. 33

12 Стабилизаторы напряжения и тока. 37

12.1 Общие положения. 37

12.2 Классификация и основные параметры.. 37

12.3 Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения. 38

12.4 Расчет параметрических стабилизаторов. 39

12.5 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием 40

12.6 Расчет транзисторного стабилизатора. 44

12.7 Расчет стабилизаторов на специализированных интегральных микросхемах. 45

13 Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения. 48

13.1 Стабилизаторы с ШИМ и ЧИМ... 51

13.2 Стабилизаторы напряжения на тиристорах. 53

13.3 Расчет импульсных стабилизаторов. 54

14 Транзисторные преобразователи напряжения. 57

14.1 Схемы преобразователей. 57

14.2 Полупроводниковые преобразователи с самовозбуждением (автогенераторы) 58

14.2.1 Однотактный преобразователь напряжения. 58

14.2.2 Двухтактный преобразователь напряжения. 60

14.3 Полупроводниковые преобразователи напряжения с независимым возбуждением.. 62

14.4 Расчет двухтактных преобразователей напряжения. 64

15 Устройства непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую энергию постоянного тока. 67

15.1 Общие положения. 67

15.2 Гальванические элементы.. 67

15.2.1 Марганцово-цинковые элементы.. 68

15.2.2 Ртутно-цинковые элементы (РЦЭ) 69

15.3 Аккумуляторы.. 70

15.3.1 Кислотные аккумуляторы.. 71

15.3.2 Щелочные аккумуляторы. 72

15.4 Топливные элементы.. 75

15.5 Термохимические генераторы.. 76

15.6 Солнечные батареи. 77

15.7 Атомные батареи. 78

Список использованных источников. 81

Параллельное и последовательное соединение диодов

На практике нередко возникают ситуации, когда допускаемое среднее значение прямого тока диода оказывается недостаточным для обеспечения больших токов нагрузки; в этих случаях приходится применять параллельное соединение диодов. Однако при параллельном включении диодов за несовпадения их ВАХ токи в диодах будут неодинаковыми (рисунок 2, а). Для выравнивания токов при параллельном включении диодов в маломощных выпрямителях последовательно с ними устанавливаются резисторы с оди­наковыми сопротивлениями, включение которых позволяет уменьшить разность токов в диодах (рисунок 8, а, б). Однако эти резисторы уменьшают КПД схемы, и поэтому приме­нять их в мощных выпрямителях не рекомендуется.

Если диоды включаются параллельно без уравнитель­ных сопротивлений, то необходимо применить заведомо уве­личенное число диодов, тем самым уменьшить ток в каж­дом из них, а значит, исключить опасность перегрузки.

Рисунок 8 - Параллельное и последовательное соединения диодов

 

В мощных выпрямителях вместо резисторов последова­тельно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы (дроссели с сердечниками L₁, L₂). На этих дросселях (рисунок 8, в) при протекании тока созда­ется противо-ЭДС, пропорциональная этому току, что и при­водит к выравниванию токов дросселей, а значит, и диодов.

Диоды одного типа можно соединить последовательно для увеличения обратного допустимого напряжения. Одна­ко из-за несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные напряжения распределятся между диодами неравномерно. Для выравнивания обратных напряжений диоды малой и сред­ней мощности необходимо шунтировать высокоомными резисторами. Если диоды включаются последовательно без шунтиру­ющих резисторов, то необходимо заведомо увеличить число диодов при этом обратное напряжение на каждом из них снижается (не менее чем на 25 %) и исключается опасность перенапряжений.

В выпрямителях большой мощности этот способ выравнивания непригоден из-за значительных потерь в шунтирующих резисторах. Поэтому в этих случаях применяются шунтирующие RС-цепочки (рисунок 8, д), причем сопротивление шунтирующих резисторов равно 500—2000 Ом (мень­ше значение соответствует более мощным диодам); включение конденсаторов позволяет снизить коммутационные перенапряжения. Иногда в качестве реактивных делителей включаются только шунтирующие конденсаторы.

Поскольку германиевые и кремниевые диоды чувствительны к токовым перегрузкам и перенапряжениям, то необходимо принимать специальные меры по защите этих диодов и всей системы электропитания. Кремниевые диоды с лавинными характеристиками выдерживают кратковре­менные перенапряжения, что упрощает их защиту.

Расчет выпрямителей

В результате расчета выпрямителя должны быть определены параметры и тип дио­дов и параметры трансформатора.

Сглаживающие фильтры

Параметры фильтра

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, который определяется отношением коэффициен­та пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (на нагрузке):

q=k_п.вх /k_п.вых

Коэффициент пульсации на входе фильтра определяется типом схемы выпрямления и равен

k_п.вх=U_0m1/U₀=k_п.01,

где U_0ml и U₀-амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая выпрямленного на­пряжения.

Коэффициент пульсации на выходе фильтра k_п.вых = U_нm1 /U_н, где U_нm1 и U_H- амплитуда пер­вой гармоники и постоянная составляющая на­пряжения на нагрузке.

Активные фильтры

Миниатюрные активные фильтры весьма удобны и успехом заменяют громоздкие и тяжелые LC-фильтры в переносной полупроводниковой радиоаппаратуре. В активных фильтрах последовательно или параллельно с нагрузкой включается транзистор, роль которого соответствует роли дросселя или резистора в фильтрах LC и RC, причем чаще используется последовательное соединение транзистора и нагрузки.

На рисунке 26, а приведена схема фильтра, аналогичного П - образному фильтру C₁ L C₂, с последовательным включением нагрузки в коллекторную цепь транзистора.

Рисунок 26 - Схемы фильтров на транзисторах (а—в), выходные характеристики транзистора (г)

 

Рабочую точку транзистора выбирают на нелинейном участке выходной характеристики А В (рисунок 26, г, точка 1), где сопротивление транзистора для переменного тока , значительно больше, чем сопротивление для постоянного тока, которое равно . Поэтому на транзисторе выделяется переменная составляющая выпрямленного напряжения U_~, а напряжение и ток нагрузки будут постоянными. В цепь базы транзистора включено звено R₁ C_Б с постоянной времени >>Т, и поэтому напряжение на конденсаторе С_Б за период частоты пульсаций существенно не меняется, что обеспечивает постоянство тока эмиттера. Положение рабочей точки на характеристике транзистора (рисунок 26, г) определяется сопротивлением резисторов R₂/R₁, причем последний способствует термостабилизации рабочей точки. Конденсаторы С₁ и С₂ вместе с транзистором образуют П - образный сглаживающий фильтр.

Недостатком такой схемы фильтра является влияние изменения нагрузки на выходное напряжение U_0/H.

Чаще применяют схемы транзисторных фильтров, в которых нагрузка включена в цепь эмиттера (рисунок 26,б). Положение рабочей точки выбирается с помощью делителя напряжения R₁ R₂, причем ток делителя должен быть больше тока базы, чтобы изменение тока базы не влияло на положение рабочей точки на характеристике транзистора. Конденсатор С_Б служит для сглаживания пульсаций на базе транзистора.

Для увеличения коэффициента сглаживания фильтра данного вида питание базы транзистора может производиться через двухзвенный RC-фильтр (рисунок 26, в).

На входе активных фильтров включается конденсатор С₁, а параллельно нагрузке (на выходе выпрямителя)- конденсатор С₂ сравнительно небольшой емкости (рисунок 26, а). Эти меры служат для сглаживания высокочастотных составляющих пульсирующего напряжения, а также для устранения наводок и импульсных помех, возникающих вследствие наличия паразитной емкости транзистора.

Коэффициент сглаживания Г-образной части фильтра схемы без конденсатора на входе

,

где —коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эмиттером; —сопротивление транзистора переменному току, r_i находится по характеристике транзистора (рисунок 26,г).

Коэффициент сглаживания для схемы на рисунок 26, б

в котором , а r_K—сопротивление коллектора транзистора в схеме с общим эмиттером; h_11Э—входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером в режиме большого сигнала; R₁ и R₂ выбираются из условия получения минимального U_КЭ выбранного транзистора и обеспечения минимального выходного сопротивления фильтра.

Для уменьшения выходного сопротивления необходимо насколько возможно, снизить значения R₁ и R₂, однако при этом уменьшится коэффициент сглаживания фильтра, что вызовет необходимость увеличения емкости конденсатора.

Применение составного транзистора (рисунок 27) позволяет согласовать низкоомную нагрузку с высокоомным RС-фильтром. Кроме того, составные транзисторы позволяют увеличить сопротивление транзистора фильтра переменному току и, следовательно, улучшить сглаживающие свойства этого фильтра.

Рисунок 27 - Схема фильтра на составном транзисторе

 

Для нормальной работы фильтра при изменениях нагрузки и температуры необходимо правильно выбрать ре-торы делителя R₁ и R₂ и резисторы смещения R₃ и R₄. О выборе элементов делителя говорилось выше; резисторы смещения R₃ и R₄ подбираются таким образом, чтобы ток, протекающий по каждому из них, был больше тока I_К.мах транзистора, в базу которого включен этот резистор.

Достоинства транзисторных фильтров: большие значения коэффициента сглаживания и сопротивления для низкочастотных составляющих.

Недостатки транзисторных фильтров: низкий КПД и резко выраженная зависимость коэффициента сглаживания от температуры.

 

Контрольные вопросы

1. При каких параметрах нагрузки выпрямителя наиболее эффективен емкостный фильтр, а при каких — индуктивный? Ответ пояснить.

2. Какое преимущество имеет LC-фильтр перед фильтрами, состоящими из отдельных элементов С и L? Ответ пояснить.

3. При каких параметрах нагрузки целесообразно применение RC-фильтра? Ответ пояснить.

4. Какие схемы транзисторных фильтров Вы знаете? Каково назначение транзисторов, резисторов и конденсаторов в этих схемах?

5. Каковы достоинства и недостатки транзисторных фильтров? В каких случаях их применение ограничено?

 

Расчет трансформаторов

Маломощные силовые трансформато­ры при их массовом производстве проектируют и изготовляют на стандартных сердечниках, со­ставляющих унифицированные ряды.

Рисунок 28

 

Для питания аппаратуры от сети 50 Гц ши­роко применяются трансформаторы броневого и стержневого типов. По технико-экономическим показателям предпочтительны трансформаторы стержневого типа, выполненные на стандартных магнитопроводах оптимальной формы. Броне­вая конструкция практически равноценна стерж­невой по массе, но уступает по объему и стои­мости. Несмотря на эти недостатки для малых мощностей (до 100...200 В-А) при напряжениях менее 1000 В, отдают предпочтение броневым трансформаторам, как более простым по кон­струкции. При мощности в несколько сотен вольт-ампер наиболее перспективными являются стержневые трансформаторы с двумя катушками на ленточных магнитопроводах оптимальной формы (рисунки 28-30).

Рисунок 29

Рисунок 30

 

Заданными величинами при расчете транс­форматора (рисунок 31) являются напряжение пи­тающей сети U₁ (В); напряжения вторичных обмоток U₂, U₃...(B); токи вторичных обмоток I₂, I₃,…(А); частота тока сети питания f_c (Гц).

 

Рисунок 31

 

Расчет трансформатора проводится в следую­щем порядке:

1. Определяем ток первичной обмотки транс­форматора

I₁=I₁₍₂₎+I₁₍₃₎+…+I_1(n).

Составляющие тока первичной обмотки, вы­званные токами вторичных обмоток, нагружен­ных на выпрямители, определяются по форму­лам, приведенным в таблицах 3 и 4 раздела «Расчет выпрямителей».

Составляющие, вызванные токами вторич­ных обмоток, при резистивной нагрузке равны

I_1(n)=I_nU_n/U₁,

где n > 2-порядковый номер обмотки.

2. Определяем габаритную мощность транс­форматора

S_г=(U₁I₁+U₂ I₂+…+Un I_n)/2

Здесь - КПД, значение которого для маломощ­ных трансформаторов находится в пределах 0,75...0,95 (рисунок 30).

3. По габаритной мощности трансформатора по справочнику выбираем магнитопровод на данную мощность.

Стандартный магнитопровод можно выбрать также по произведению S_CT S_OK, см⁴, где S_CT и S_OK-площадь поперечного сечения стержня магнитопровода и площадь окна (S_CT = ba; S_OE = ch);

S_СТS_OE = S_r 10²/(2,22f_cBjk_Mk_C ).

Для броневых и стержневых трансформато­ров, выполненных на пластинчатых магнитопроводах из горячекатаной стали, индукцию в стержне сердечника можно принять в пределах В = 1,2...1,3 Т. В трансформаторах, выполнен­ных на ленточных сердечниках из холодноката­ной стали, В = 1,5...1,65 Т.

Плотность тока j в проводах обмоток транс форматора может составлять 3,5...4,5 А/мм² для трансформаторов мощностью до 100 BА и 2,5...3,5 А/мм² для трансформаторов мощ­ностью от 100 до 500 ВА.

Значения k_м и k_С – коэффициентов заполнения медью окна сердечника и коэффициента заполнения сталью площади поперечного сечения стержня магнитопровода находятся из таблиц 11.1 и 11.2.

 

Таблица 11.1 - Значения коэффициентов заполнения медью окна сердечника k_M при f_c = 50 Гц:

Sr, ВА	kM
15…50	0,22…0,28
50…150	0,28…0,34
150…300	0,34…0,36
300…1000	0,36…0,38

 

Таблица 11.2 - Значения коэффициентов заполнения сталью площади поперечного сечения стержня магнитопровода:

Толщина листа (ленты)	kC для пластинчатых магнитопроводов	kC для ленточных магнитопроводов
0,35... 0,5	0,89... 0,93	0,95…0,97
0,2... 0,35	0,82... 0,89	0,93…0,95

 

КПД определяем из рисунка 32.

Рисунок 32

 

Определив S_CT S_OК, выбираем стандартный магнитопровод, у которого данное произведение больше или равно расчетному.

Выбрав из таблиц магнитопровод, находим его основные размеры.

4. Определяем число витков обмоток транс­форматора

Падение напряжения находим на рисунке 33.

Рисунок 33

 

5. Определяем диаметр проводов обмоток трансформатора (без учета толщины изоляции)

Выбираем марку провода и определяем диаметры проводов обмоток трансформатора с учетом толщины изоляции d_1из, d_2из …d_n.из.

Обмотки маломощных низковольтных трансфор­маторов выполняются в основном из проводов с эмалевой изоляцией (ПЭ, ПЭВ-1, ПЭВ-2).

6. Определяем толщину обмоток трансфор­матора и проверяем, умещаются ли они в окне выбранного сердечника.

Общие положения

Важнейшим условием нормальной работы радиоустройств является стабильность питающего напряжения. Причиной нестабильности питающего напряжения являются в основном колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямительного устройства. Дестабилизирующими факторами могут быть так же температура окружающей среды, частота напряжения сети и др.

Стабилизаторы с ШИМ и ЧИМ

В стабилизаторах с ШИМ в качестве импульсного элемента используется генератор, время импульса или паузы которого изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на вход импульсного элемента с выхода схемы сравнения.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ заключается в следующем: постоянное напряжение от выпрямителя или аккумуляторной батареи подается на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора, выходное напряжение стабилизатора приводится к опорному напряжению, сравнивается с ним, а затем сигнал разности подается на вход устройства, преобразующего сигнал постоянного тока в импульсы определенной длительности, причем последняя изменяется пропорционально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С устройства, преобразующего постоянный ток в импульсы сигнал поступает на регулирующий транзистор; последний периодически переключается и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состоянии (от ширины импульса — отсюда название данного вида модуляции), причем частота следования импульсов ШИМ постоянна. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал постоянного тока, следовательно, и ширина (длительность) импульса (при постоянном периоде); в результате среднее значение выходного напряжения возвращается к первоначальному значению.

В стабилизаторах с ЧИМ при изменении сигнала на выходе импульсного элемента изменяется длительность паузы, а длительность импульса остается неизменной, причем, в отличие от стабилизаторов с ШИМ, в данных стабилизаторах частота переключения регулирующего транзистора зависит от изменения тока нагрузки и выходного напряжения, а значит, является изменяющейся, непостоянной величиной — отсюда и название данного вида модуляции. Принцип действия таких стабилизаторов аналогичен принципу действия стабилизаторов с ШИМ. Изменение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение паузы, что приводит к изменению частоты импульсов и среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

Принцип действия релейных или двухпозиционных стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с ШИМ. В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который в свою очередь управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход, стабилизато­ра в первый момент регулирующий транзистор открыт и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, при этом соответственно растет сигнал на выходе схемы срав­нения. При определенном значении выходного напряжения сигнал на выходе схемы сравнения достигает значения, при котором триггер срабатывает, закрывая при этом ре­гулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабили­затора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. При определенном значении сигнала на выходе схемы сравнения триггер вновь срабатывает, открывает регулирующий транзистор и на­пряжение на выходе стабилизатора начинает увеличивать­ся; оно будет расти до тех пор, пока триггер вновь не за­кроет регулирующий транзистор, и, таким образом, процесс повторяется.

Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к изменению времени открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению час­тоты его переключений, а среднее значение выходного на­пряжения будет поддерживаться (с определенной степенью точности) неизменным. Таким образом, как и в стабилиза­торах с ЧИМ, в релейных стабилизаторах частота пере­ключений регулирующего транзистора непостоянна.

В заключение необходимо отметить достоинства и недо­статки описанных стабилизаторов. Пульсации выходного напряжения в стабилизаторах с ШИМ и ЧИМ в принципе могут вообще отсутствовать, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы уп­равления; в релейных стабилизаторах пульсации выходно­го напряжения принципиально должны иметь место, так как периодическое переключение триггера возможно толь­ко при периодическом изменении выходного напряжения. Одним из основных недостатков стабилизаторов с ШИМ и ЧИМ по сравнению с релейными является их меньшее быстродействие.

Рассмотрим схемы и работу релейного стабилизатора и стабилизатора с ШИМ.

Рисунок 46 - Схема импульсного релейного стабилизатора напряжения (а) и графики напряжений и токов в нем (б)

 

На рисунке 46, а представлена схема релейного стабили­затора напряжения, который состоит из составного регули­рующего транзистора (VT₁₁, VT₁₂); фильтра (L, С_Н, VD₂); сравнения и усилителя постоянного тока (R₁ RP, R₂, VD_ОП, R_Г, VT_У); триггера на туннельном диоде VD_TГ, транзисторе VТ₄ и резисторе R₈; промежуточного усилителя VT₃, R₅, R₄, R₃); транзистора VT₂, предназначенного для запирания регулирующего транзистора; цепочки R₉, C₁, необходимой для увеличения частоты автоколебаний стабилизатора, а также элементов R₆, R_ЗАП, VD₁ С_ЗАП, необходимой для надежного открытия и запирания регулирующего транзистора.

В данной схеме в качестве импульсного элемента используется триггер на туннельном диоде и транзисторе. В подобных схемах можно использовать триггер на транзисторах (триггер Шмитта), однако применение триггера на туннельном диоде позволяет улучшить фронты управляющих импульсов и уменьшить число элементов.

Принцип действия схемы заключается в следующем. На вход стабилизатора подается постоянное напряжение U_ВХ В момент времени t₀ напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до значения, соответствующего срабатыванию триггера VТ₄ VD_TГ. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT₄ скачком уменьшается до нуля. При этом закрываются транзисторы VT₃ и VT₂; транзисторы VT₁₂, VT₁₁ открываются, а конденсатор С_ЗАП заряжается через резистор R₆. Напряжение на входе фильтра (в точках А, Б) скачком увеличивается до напряжения U_BХ, диод VD2 закрывается и ток, протекающий по нему, падает до нуля. Ток коллектора регулирующего транзистора VT₁₁, а соответственно и ток дросселя начинают увеличиваться, а напряжение на выходе стабилизатора — уменьшаться, причем оно уменьшается до момента, пока ток, протекающий по дросселю, не станет равным току нагрузки I_Н; затем напряжение начинает расти. При увеличении выходного напряжения увеличивается положительный потенциал на базе транзистора VT_y, при этом ток базы, а следовательно, коллектора VT_y увеличиваются.

В момент времени t₁ напряжение на выходе стабилизатора становится равным U_BЫХ+ U_ТГ/ (см. рисунок 46, б), а ток коллектора VT_y достигает значения тока срабатывания триггера. Триггер срабатывает, и ток коллектора VT₄ скачком увеличивается до максимального значения. Транзисторы VT₃ и VT₂ открываются. Конденсатор С_ЗАП через транзистор VT₂ подключается между базой и эмиттером транзисторов VT₁₂, VT₁₁ и они закрываются. В интервале t₁ – t₂ ток коллектора транзистора VT₁₁ i_K11 равен нулю, а дроссель разряжается через диод VD₂. Напряжение на выходе стабилизатора вначале увеличивается (пока ток в дросселе L больше тока нагрузки), а затем начинает уменьшаться.

При уменьшении выходного напряжения уменьшается положительное напряжение на базе транзистора VT_y и токи его базы и коллектора уменьшаются. В момент t₂ напряжен U_ВЫХ- на выходе уменьшилось до значения U_BЫХ- U_ТГ/ , а ток коллектора VT_y уменьшился до значения тока отпускания триггера. Триггер срабатывает, транзисторы VT₄, VТ₃, VT₂ закрываются, а транзисторы VT₁₂, VT₁₁ открываются. Вновь начинает увеличиваться ток коллектора регулирующего транзистора VT₁₁, а соответственно и ток дросселя L. Таким образом, процесс непрерывно повторяется.

При изменении входного напряжения или тока нагрузки меняется коэффициент заполнения импульсов регулирующего транзистора, а среднее значение выходного напряжения с определенной степенью точности остается неизменным. Как видно из принципа действия схемы, стабилизаторы данного типа работают в режиме устойчивых автоколебаний.

Как указывалось выше, релейным стабилизаторам присущи, в принципе, пульсации выходного напряжения, при этом необходимо отметить, что относительно большая амплитуда этих пульсаций, являясь основным недостатком иных стабилизаторов, ограничивает область их применения. Амплитуда пульсаций выходного напряжения зависит порогов срабатывания триггера, коэффициента усиления усилителя и от значения коэффициента затухания фильтра стабилизатора, причем с уменьшением порогов срабатывания триггера и с увеличением указанных коэффициентов амплитуда пульсаций уменьшается. Однако даже при нулевых порогах срабатывания триггера, бесконечном коэффициенте усиления усилителя и достаточно большом коэффициенте затухания фильтра (причем при больших значениях последнего резко возрастают габаритные размеры стабилизатора) не удается получить малую амплитуду пульсаций. Значительное уменьшение амплитуды пульсаций достигается увеличением частоты автоколебаний стабилизатора при тех же параметрах фильтра, усилителя и триггера.

Схемы преобразователей

В автономной переносной и передвижной радиоаппара­туре, потребляющей сравнительно небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются работающие независимо от внешней сети источники постоянного низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Иногда для функционирования радиоаппаратуры возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.

В настоящее время полупроводниковые преобразователи напряжения практически вытеснили все остальные преобразователи благодаря высоким удельным характеристикам, большой эксплуатационной надежности, более высокому КПД. Применение полупроводниковых преобразователей

в источниках вторичного электропитания дает возможность уменьшить массу, габаритные размеры и повысить КПД всей системы электропитания. В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются транзисторы и тиристоры. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение, которое может существенно отличаться от напряжения на входе, т. е. конвертор — это своеобразный трансформатор постоянного напряжения. Преобразователи на транзисторах преимущественно используются при низких напряжениях сети.

При высоком значении питающего напряжения, а при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как регуляторы или стабилизаторы постоянного и переменного напряжения. По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой генераторы импульсов с внутренней положительной обратной связью. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора (чаще всего преобразователя с самовозбуждением) и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

Расчет преобразователей

Исходные данные: напряжение питания U₀, В; выходное напряжение преобразователя U₂, В; максимальный ток вторичной обмотки I₂, А; частота генерации преобразователя f, Гц. Необходимо знать также вид нагрузки (активная, мостовой выпрямитель, выпрямитель со средней точкой, удвоение напряжения).

1. Определяем ток открытого транзистора

Принимаем = 0,72... 0,9. Амплитуда тока вторичной обмотки I_{2 max} = I₂, если преобразова­тель работает на активную нагрузку, на мостовой выпрямитель и цепь удвоения. Если нагрузкой является двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, то I_{2 max} = I₂ .

2. Максимальное напряжение на закрытом транзисторе равно U_КЭ.max = 2,4 U₀.

3. По максимальному току I_K.maxи максимальному напряжению U_KЭmax выбираем тип транзисторов VT1, VT2:

I_K.max=(2…3)I_K.нас (для рисунка 14.9)

I_K.max=(1,3…1,5)I_K.нас (для рисунка 14.10).

4. Ток базы транзистора равен I_Б.нас = (1,3 -1.5) I_K.нас /h_{21 Э min}-минимальное значение коэффициента передачи тока VT1, VT2 в схеме с ОЭ.

5. Напряжения базовых обмоток U_Б = 2,5... 3,5 В.

6. Сопротивления резисторов R1,R2,R_Б равны:

R₁=U₀ R₂/(0,5…1);

R₂ = [U_Б-(0,5...0,7)]/I_{Б нac};

R_Б = (1,4... 2)/I_Бнас.

7. Расчет параметров трансформатора. Магнитопровод трансформатора у преобразователя с самовозбуждением изготавливается из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (50НП, 34НКМП, 79НМ). У преобразователя с усилите­лем мощности сердечник трансформатора изго­тавливается из материалов с высокой магнитной проницаемостью (34НКМП, 40НКМП, ферри­тов 2000НМ1, 2000НМ3).

Магнитопровод трансформатора выбирается по произведению S_CТ S_ОК:

S_CTS_OК =S_Г 10²/2,22 f B j k_M k_C .

S_Г = 1,3U₂I₂ (активная нагрузка преобразова­теля или мостовой выпрямитель); S_Г = 2,l U₂I₂ (нагрузка - двухполупериодный выпрямитель со средней точкой): В=1,5Т для сплава 50НП; В = 0,85 Т для 79НМ; В = 1,5 для сплава 34НКМП.

В преобразователях с самовозбуждением В = B_S, а в преобразователях с усилителем мощ­ности В = (0,7... 0,8) B_S.

При использовании ферритов 2000НМ В = (0,15... 0,2) Т.

Величина j, k_М, k_C. определяют так же, как при расчете трансформаторов, = 0,8... 0,95.

Число витков вторичной, первичной и базо­вой обмоток преобразователя равно

w_l = U₀10⁴/(4 f B S_CT k_C);.

w₂ = (U₂/U₀)w_l;

w_Б=(U_Б/U₀)w₁.

Определяем токи в обмотках трансформа­тора

Диаметры проводов обмоток трансформатора (без учета толщины изоляции) определяем (см. главу «расчет трансформаторов):

Выбираем марку провода и определяем диаметры проводов обмоток трансформатора с учетом толщины изоляции d_1из, d_2из …d_n.из.

Обмотки маломощных низковольтных трансфор­маторов выполняются в основном из проводов с эмалевой изоляцией (ПЭ, ПЭВ-1, ПЭВ-2).

15 Устройства непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую энергию постоянного тока

Общие положения

К устройствам непосредственного преобразования энер­гии различного рода в электрическую энергию постоянного тока относятся следующие:

-гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую;

-аккумуляторы, также преобразующие химическую энер­гию в электрическую, однако в отличие от гальванического элемента способность аккумулятора отдавать электричес­кую энергию может быть восстановлена путем его заряда от постороннего источника электрической энергии;

-термоэлектрические преобразователи, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую;

-преобразователи (солнечные батареи), в которых энергия светового потока преобразуется в электрическую;

-атомные батареи, в которых энергия внутриатомного распада преобразуется в электрическую;

-топливные элементы, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую.

Гальванические элементы

Гальванические элементы являются первичными химическими источниками тока (ХИТ), в которых используются необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Они широко применяются в качестве источников питания постоянным током малогабаритной и переносной радиоаппаратуры. Гальванические элементы и составленные из них батареи характеризуются следующими основными параметрами.

Емкость элемента — количество электричества, отдаваемое элементом при разряде. Емкость элемента измеряется в ампер-часах (А-ч) и определяется выражением

Q=I_Р t_Р

где I_Р—ток разряда, A; t_Р — время разряда, ч.