Узагальнення правил побудови джерел вторинного живлення

 

У розділах 1...5 розглянуто будову та принципи роботи складових частин джерел вторинного живлення: випрямлячів, фільтрів, параметричних та компенсаційних стабілізаторів, імпульсних стабілізаторів, інверторів, перетворювачів. На основі цих матеріалів маємо можливість розробити узагальнений алгоритм побудови вторинного джерела електричного живлення радіотехнічних пристроїв. Схематично він зображений на рисунку 5.18. Наведена схема побудови вторинного джерела живлення узгоджується зі схемою, наведеною у вступі. На схемі прийняті позначення і абревіатури, які використовувалися у відповідних розділах цього електронного посібника.

 

 

Рисунок 5.18 – Схема алгоритму побудови вторинного джерела

електричного живлення радіотехнічних пристроїв

 

У вертикальних стовпчиках схеми згруповані однотипні функціональні вузли: трансформатори, випрямлячі, фільтри, стабілізатори та перетворювачі напруги. Порядок слідування стовпчиків співпадає з порядком увімкнення у джерелі живлення функціональних вузлів, які охоплює кожен стовпчик. Вихідні фільтри джерел живлення на схемі не зображені; мається на увазі, що вони входять до складу вихідних ланцюгів стабілізаторів і перетворювачів.

Наведена схема спрощує процес розробки структурної схеми довільного дже­ре­ла вторинного живлення. Можливі шляхи вибору функціональних вузлів при проектуванні вказані на схемі стрілочками. Початок і кінець стрілки не позначає електричного з’єднання, а є початковою, проміжною або кінцевою точкою руху.

Вхідними даними для вибору функціональних вузлів (шляху руху на схемі) є загальні вимоги до джерела вторинного живлення [1...4]:

– характеристики первинного джерела живлення – характер напруги (постійна, змінна) та її нестабільність;

– характеристики навантаження (напруга та її нестабільність, струм та діапазон його змін, допустимий рівень пульсацій);

– умови експлуатації;

– цінові та масогабаритні показники.

Вхідною напругою для вторинного джерела живлення є змінна напруга ~  первинного джерела. Це може бути напруга електричної мережі або напруга джерела, яке знаходиться безпосередньо у користувача (наприклад генератор первинної напруги літака чи корабля, який приводиться до руху двигуном внутрішнього згорання; генератор з приводом від екологічно безпечного вітряка). Високі параметри вторинного джерела забезпечуються краще, коли використати, як це показано на рисунку, вхідний стабілізатор змінної напруги [3, 4]. У простішому випадку можна використати параметричний стабілізатор, у більш складних пристроях стабільність вихідної напруги забезпечується замкнутою системою автоматичного регулювання з магнітними підсилювачами. Змінну напругу можна також регулювати, якщо використати у якості випрямляча не діод, а керований тиристор. Зворотний зв'язок для нього може бути заведений, як показано на рисунку 5.18, з ланцюгів стабілізатора. Матеріали щодо вивчення трансформаторів і стабілізаторів змінної напруги будуть подані у розділі 6.

Не виключено, що джерело первинної напруги може генерувати не змінну, а постійну напругу. Але для живлення радіотехнічного пристрою, як правило потрібно мати декілька постійних напруг, значення яких відрізняються. У більшості випадків потрібно мати також джерела напруг з позитивним та негативним знаками. Тому постійна напруга первинного джерела  також перетворюється. На схемі рисунка 5.18 постійна напруга подається на входи фільтрів. Вхідний трансформатор і випрямляч у такому джерелі відсутні. Постійну напругу іншої величини отримують перетворювачем.

Якщо потрібно мати декілька вихідних джерел, то у пристрої, що проектується, можна використати декілька стабілізаторів або перетворювачів напруги. Доцільніше за ціновими та масогабаритними критеріями використати у цьому випадку один з перетворювачів напруги (ДПН, ОПНП, ОПНЗ), розглянутих у розділі 5. Враховуючи, що до складу перетворювача напруги входить інвертор, то з його виходу можна отримати і змінну напругу ~  (рисунок 5.18). 

Дуже важливими для вторинних джерел живлення, особливо коли вони є складовими частинами радіотехнічних пристроїв та систем, є функціональні вузли, зображені у нижній частині рисунка, – це елементи автоматичного діагностування (контролю), керування, аварійного захисту, сигналізації. Працюють вони під апаратним та програмним керуванням системи, до складу якої входить вторинне джерело. У сучасних системах тут обов’язково використовують мікропроцесори. Функції, які виконують перераховані вузли, частково вказані у підрозділі 5.8 і літературних джерелах [3, 4, 6, 8, 13].

Наведемо приклади користування схемою алгоритму рисунка 5.18 при проектуванні вторинного джерела живлення:

1. Нехай потрібно вибрати функціональні вузли для малопотужного джерела живлення (I < 50 мА, U = 5... 15 В). Первинним джерелом є побутова електрична мережа. Кола вхідної мережі і навантаження можуть бути гальванічно не розв’язаними.

Варіантом вибору елементів схеми (рисунок 5.18) при розв’я­занні цієї задачі може бути: однопівперіодний або мостовий випрямляч (трансформатор для спрощення пристрою не використовується); Г -подібний RC - або LC -фільтр; параметричний або малопотужний компенсаційний стабілізатор.

2. Вибрати функціональні вузли для вторинного джерела з загальною потужністю навантаження біля 1000 Вт. Джерело повинно мати виходи постійної напруги величиною 5, +12, -12, 24, 300 В. Первинне джерело – промислова електрична мережа.

У цьому випадку для випрямлення вхідної напруги можна використати трифазний мостовий випрямляч, а у вихідному ланцюзі – двотактний перетворювач (ДПН). Функціональні вузли можна вибирати у такій послідовності: три­фазний трансформатор; мостовий трифазний випрямляч (це забезпечить необхідну потужність і мале значення коефіцієнта пульсацій); Г - або П -подібний LC -фільтр; двотактний перетворювач напруги з числом вихідних ланцюгів, що дорівнює вказаному числу вихідних напруг.

5.12 Запитання тестового контролю

 

1. Відмітьте помилкове твердження: "Ознаками  релейних стабілізаторів напруги є:"  

принципова наявність пульсацій вихідної напруги; частотна і широтна модуляція імпульсів керування; можливість синхронізації декількох стабілізаторів за сигналами керування; робота силового елемента у ключовому режимі; зміни періоду слідування імпульсів керування; зміни тривалості керуючих імпульсів;

2. Згладжування пульсацій в інвертуючому та підвищувальному імпульсних стабілізаторах здійснюється:

дроселем; конденсатором; дроселем та конденсатором; за допомогою ланцюга дросель-конденсатор-діод.

3. У ОПНЗ накопичення енергії при відкритому ключовому елементі здійснює:

дросель; конденсатор;  трансформатор; джерело живлення; дросель та конденсатор.

 

 

ТРАНСФОРМАТОРИ І ДРОСЕЛІ

Основні відомості

 

Трансформатори і дроселі являють собою котушки з феромагнітними осердями (магнітопроводами), призначеними для локалізації (концентрації) магнітного потоку. Їх застосовують у різноманітних електротехнічних і радіотехнічних пристроях, пристроях автоматики для перетворень змінних і пульсуючих струмів.

Серед деталей ці елементи виділяються габаритами і масою, тому для покращання відповідних показників основних пристроїв потрібно приймати заходи щодо зниження масогабаритних показників трансформаторів та дроселів.

Розрахунки трансформаторів і дроселів базуються на законі електромагнітної індукції, який визначає електрорушійну силу в обмотці і на законі повного струму [3, 4]. Розглянемо їх.

При підімкнені котушки трансформатора або дроселя до джерела змінної напруги у ній виникає струм, який створює в осерді змінний магнітний потік. Цей потік викликає в обмотці електрорушійну силу (ЕРС) самоіндукції, направлену згідно з законом Ленца назустріч струму, який її викликав, і протидіючу його зміні. ЕРС врівноважує прикладену напругу.

Величина наведеної ЕРС рівна похідній від потокозчеплення  за часом:

                                            .                                            (6.1)

Під потокозчепленням у електротехніці розуміють сумарний магнітний потік, що пронизує послідовно з'єднані витки котушки.

Якщо прийняти магнітне поле у котушці однорідним, то магнітні потоки, що пронизують окремі витки, будуть рівними і

                                             ,                                             (6.2)

де  – число витків обмотки,

Ф – магнітний потік в осерді.

Підставимо (6.2) в (6.1).

                                     .                                     (6.3)

 

Одиниця виміру потокозчеплення і потоку – Вебер (Вебер = Тесла/м²).

Другий закон визначає зв'язок між напруженістю або силою магнітного поля Н(t) в осерді і повним струмом, який у загальному випадку є функцією часу:

                                       ,                                       (6.4)

де  – замкнутий контур інтегрування;

 – елемент довжини цього контуру;

 – повний струм, що протікає крізь площу, обмежену контуром інтегрування.

Напруженість поля H(t) є векторною величиною, яка не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле, що створюється у даній точці електричним струмом. Одиниця виміру напруженості А/м. Напруженість з точністю до коефіцієнта співпадає з індукцією B(t) магнітного поля:

                                        ,                                        (6.5)

де  – абсолютна магнітна проникність середовища,

 – відносна магнітна проникність матеріалу осердя,

Гн/м – магнітна постійна.

Індукція магнітного поля є вектор, який характеризує дію поля на інші струми. Як видно з (6.5), індукція залежить не тільки від інтенсивності поля, але і від магнітних властивостей середовища. Це враховується коефіцієнтом . Одиниця виміру індукції – Тесла ().

Магнітний потік Ф(t) – це потік вектора магнітної індукції через певну поверхню. При рівномірному розподілі магнітних силових ліній в осерді трансформатора чи дроселя і площині осердя S і перпендикулярності ліній до площини S магнітний потік пов'язаний з магнітною індукцією залежністю:

 

                                  .                                  (6.6)

 

Величина магнітного потоку в осерді, в тому числі і в немагнітному зазорі, якщо він є, залишається незмінною. Зазор являє собою проміжок з немаг­ніт­но­го матеріалу, який в перпендикулярном у напрямі перетинає осердя.

Завдяки незмінності магнітного потоку в осерді, незмінною залишається при його постійному перетині і магнітна індукція. Напруженість поля на відміну від магнітного потоку та індукції змінюється, як слідує з (6.5), зворотно пропорційно магнітній проникності: .

Магнітний потік, що пронизує виток, та електричний струм І витка пов'язані через коефіцієнт L самоіндукції (індуктивність витка) [3]:

 

                                             .                                             (6.7)

 

З (6.7) можна визначити індуктивність витка . Якщо котушка містить  однакових витків, які пронизує потік Ф, то її індуктивність дорівнюватиме:

                                           .                                           (6.8)

 

З виразу (6.8) видно, що коли необхідно отримати більшу індуктивність, провіднику надають форми витків.

Повернемося до виразу (6.4), який встановлює зв'язок між напруженістю поля та повним струмом. Якщо магнітний потік постійний і пронизує усі  витків котушки з однаковими струмами, то права частина виразу (6.4) рівна:

 

                                          .                                          (6.9)

 

Виконаємо інтегрування лівої частини (6.4). Будемо вважати, що феромагнітне осердя, наприклад стальне, має кільцеподібну форму і перетинається зазором, заповненим немагнітним матеріалом, наприклад повітрям. Довжина середньої лінії осердя , довжина зазору . Контур інтегрування співпадає із середньою лінією магнітопроводу. Напруженість магнітного поля у зазорі , в осерді – . Вона в кожній точці контуру спрямована по дотичній до окружності.

У результаті інтегрування знаходимо:

 

                             .                           (6.10)

 

Визначимо з (6.10) амплітудне значення струму

 

                                    .                                  (6.11)

 

Щоб визначити індуктивність дроселя, підставимо (6.11) у (6.8).

 

                      .                   (6.12)

 

Підставимо у вираз (6.12) замість напруженості, різної для магнітопроводу і зазору, її значення, подане через ін­дук­цію  (6.5), яка в обох середовищах приблизно однакова. Після скорочень маємо:

                                  .                                (6.13)

 

З виразу (6.13) слідує:

1) для отримання значної індуктивності дроселя необхідно вибирати матеріал осердя з великою магнітною проникністю і малими розмірами (останнє забезпечує мінімальну довжину l магнітопровіду);

2) індуктивність можна змінювати зміною довжини немагнітного зазору;

3) якщо сума в знаменнику визначається другим складовим, то індуктивність слабо залежить від параметрів магнітопроводу.

При відсутності зазору індуктивність зростає::

                                     .                                   (6.14)