Структурная схема источников электропитания  с трансформаторным входом

Источники электропитания

Источники электропитания являются неотъемлемой частью каждой аппаратуры и делятся на две группы:

1. первичные (электростанции);

2. вторичные.

К первичным источникам электропитания относятся устройства, преобразующие любой вид энергии (кроме электрической) в электрическую энергию:

• механическую в электрическую;
• химические (батарейки, аккумуляторы);
• солнечные батареи;
• дизель-генераторы.

К вторичным источникам электропитания относятся устройства, преобразующие электрическую энергию с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами и делятся на две группы:

1. с трансформаторным входом;

2. с безтрансформаторным входом.

Структурная схема источников электропитания  с трансформаторным входом

Трансформатор осуществляет:

1. гальваническую развязку между первичной сетью и нагрузкой;

2.
масштабирование напряжения первичной сети.

                                                                

уменьшает пульсации напряжения

 

Поддерживает напряжение постоянным при изменении напряжения питания и при изменении нагрузки.

Стабилизация напряжения происходит за счет обратной связи.

Основной недостаток схемы заключается в том, что трансформатор работает с напряжением сети, которое составляет 50 Гц (частота тока) – большие габариты трансформатора (чем больше ток нагрузки, тем они больше).

  Типовая структура источников электропитания  с безтрансформаторным входом

Выпрямитель 1 выпрямляет сетевое напряжение.

Преобразователь          представляет собой автогенератор, который преобразует U₃ в ~ U₄.

Частота U₄ составляет 50-100 кГц

Можно создать высокую плотность магнитного потока даже в небольшом по площади сердечнике трансформатора.

Назначение сетевого фильтра: для уменьшения проникновения до допустимой величины на входе ставят сглаживающий фильтр – не пропускает высокую частоту в сеть, помехи сети не попадают в блок питания.

Уровень пульсаций напряжения  на выходе у схем с безтрансформаторным входом выше, чем у схем с трансформаторным входом.

Наиболее часто в преобразованиях         используется широтноимпульсный метод управления.

АГ - автогенератор; ФИ - формирователь импульсов

 

ШИМ – широтно-импульсный модулятор:

Трансформаторы

Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, в котором переменный ток заданной частоты с одними параметрами (число фаз, напряжение, сила тока, сдвиги фаз) преобразуется в переменный ток с той же частотой, имеющий другие параметры, с использованием явления электромагнитной индукции

Моточные провода

Моточные провода бывают:

1-медные;

2- алюминиевые.

У маломощных трансформаторов с токами до 25 A используются провода с круглым сечением и с лаковой изоляцией: ПЭЛ, ПЭВ (в виде эмали), ПЭЛШО (с двойной изоляцией - лак и шелк).

При больших токах и мощности используются прямоугольные шины, которые могут укладываться каркасной и бескаркасной обмоткой.

С каркасной обмоткой – особо мощные трансформаторы.

 

Если у мощных трансформаторов закоротить вторую нагрузку, то ЭМП выворотит обмотку, и тогда пазы не позволят им скрутиться.

 

Выпрямители

Выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Типовая структура:

Параметры:

1. U ₀ - постоянная составляющая U на нагрузке;

2. I ₀ – среднее значение тока в нагрузке;

3. Коэффициент пульсаций (К _n):

, где Δ U – размах переменного сигнала.

 

Иногда определяют К _n по отдельным гармоникам:

, где – амплитуда n-ой гармоники.

4. Внутреннее сопротивление:

Блок вентилей может включать от одного до нескольких вентилей в зависимости от схемы выпрямления.

Вентиль – прибор, обладающий низким сопротивлением для токов одного направления и высоким для токов противоположного направления.

Вентили делятся на:

- ионные;

- электронные.

К ионным вентилям относятся газотроны, тиратроны, ртутные вентили.

К электронным вентилям относятся кенотроны и полупроводниковые вентили.

Кенотронные вентили – вентили с электронными диодами, используемые для выпрямления высоковольтных U (десятки кВ).

Преимущественно используются полупроводниковые вентили: селеновые, германиевые, кремниевые вентили.

ВАХ вентиля:

Вентили:

управляемые                  

            

неуправляемые

 

 

Неуправляемые вентили характеризуются следующими основными параметрами:

1. I _{ср доп.} - номинальный рабочий ток. При 50 Гц и однополупериодной схеме выпрямления

2. U _обр – амплитуда обратного U, которое вентиль может длительное время выдерживать.

U _обр < U_n;

U_n – напряжение зенеровского пробоя.

3. Прямое падение напряжения U _ПР – падение напряжения на вентиле при заданном токе

4. r _д – динамическое сопротивление вентиля

5. I _обр – значение обратного тока при заданном обратном U.

6. Максимальная рассеиваемая мощность:

Р_в зависит от прямого U: чем меньше U _пр, тем больше тока он может пропустить.

 

Управляемые вентили

 

ВАХ тиристора:

 

 

Дополнительно к параметрам неуправляемого вентиля тиристор характеризуется следующими параметрами:

§ U _{пр. max} – максимальное напряжение, приложенное к тиристору в прямом направлении, которое он может выдерживать в течение долгого времени при отсутствии управляющего сигнала;

§ U _пр.упр – напряжение между управляющим электродом и катодом при заданном значении управляющего тока (I_пр.упр);

§ I _{упр. min} – минимальное значение управляющего тока, который приводит к включению тиристора. Если он включился, то управляющий сигнал может отсутствовать;

§ Δ t _упр – минимальная длительность управляющих импульсов, которая приводит к включению тиристора;

§ I _уд – минимальный ток между анодом и катодом тиристора, при котором тиристор находится в проводящем состоянии при снятии управляющего напряжения.

Если I < I _уд, то при снятии управляющего сигнала тиристор возвращается в закрытое состояние.

Тиристор включается, когда на А(+), на К(-).

 

Управление тиристором (если изменится полярность, то тиристор не будет управляться).

· - симисторы:

Управляется при любой полярности приложенного напряжения.

 

1. Параллельное включение вентилей:

если I _н > I _{ср.доп .}, то возможно параллельное включение вентилей:

 

 

 r – токовыравнивающее сопротивление.

     

Вентили имеют широкий разброс прямых сопротивлений при одном и том же токе:

 

 

r >> r _д – токи через диоды не будут зависеть от параметров вентилей

r ≈ r _дмакс

В мощных  вентилях  выравнивание токов осуществляется при помощи реакторов:

 

Точность выравнивания токов зависит от индуктивности реактора.

2. Когда U _обр > U _{обр.доп}, то допускается последовательное включение вентилей:

R _ш – шунтирующее сопротивление, необходимое для выравнивания U на вентиле.

У вентилей существует большой разброс R _обр.

Должно быть   .

Недостатки схемы:

1. на R _ш выделяется мощность;

2. в этом случае ухудшается выпрямляющие свойства вентилей.

У мощных вентилей вместо резисторов ставятся цепочки:

Выравнивание U достигается за счет С_ш:

     

     

Однополупериодные схемы выпрямления

Явление перекрытия фаз

Рисунок 3.16

 

Можно убедиться, что в интервале времени  ток в нагрузку поставляется заканчивающей работу фазой А и начинающей работу фазой В. В силу симметрии схемы тот же процесс повторяется и на границе окончания работы фазы В и начала работы фазы С:

Рисунок 3.17

 

Обращаясь к эквивалентной схеме, напряжение на нагрузке как функцию времени можно найти как полусумму следующих электрических взаимодействий:

 

+                                          (3.43)

                                 (3.44)

в т.  выполняется равенство:

                            (3.45)

откуда следует:

 

                                                               (3.46)

В конечном счете угол перекрытия фаз  определяется формулой:

                                                        (3.47)

Суммируя проведенные рассуждения с учетом неизменности токов в нагрузке можно придти к выводу, что в рассмотренном случае в интервале перекрытия фаз  ток в нагрузке изменяется по косинусоидальному закону. В фазе, закончив работу, - линейно спадает, а в фазе, начинающей работу, - линейно возрастает.

Рисунок 3.18

 

Можно показать что в случае комплексного сопротивления фазы т.е. при наличии индуктивности рассеяния трансформатора имеет место одновременная работа смежных фаз в некотором интервале перекрытия. Причем форма токов в фазах и напряжение на выходе видоизменяются, см рисунок 3.19

Рисунок 3.19

 

Из рассмотрения временных диаграмм для напряжения на выходе выпрямителя видно, что явление перекрытия фаз имеет в целом негативный характер:

- увеличивается среднее значение выходного сопротивления;

- раздробляется пульсация;

- увеличивается коэффициент пульсации;

- работающие одновременно фазы рассеивают мощность на своих активных сопротивлениях (внутри), что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке

U_o= U_oхх- I_о (r_ф+ mх_S /2 π)

 

2. Двухтактная трехфазная схема выпрямления (схема Ларионова)

В фазе а протекает положительный ток в момент времени, когда напряжение на фазе а превышает U на других фазах; отрицательный ток протекает, когда напряжение меньше, чем в остальных фазах. Аналогично и для других фаз.

:

:

:

Параметры:

Недостаток:

§ большое число вентилей, следовательно, больше потери на вентилях.

 

Сглаживающие фильтры

Ø
- простейшие фИЛЬТРЫ состоят из одного элемента: С-фильтр, L-фильтр.

  Должно выполняться условие:

 - угловая частота пульсаций на входе фильтра.

· LC -фильтры:

 

 

Г-образные,

 

         П-образные.

 

 

        

В LC-фильтрах должно выполнятся условие: , где - резонансная частота фильтра.

Если условие не будет выполняться и , то ,так как Q >1, то система вместо подавления пульсаций будет возрастание пульсаций.

Сглаживающие свойства фильтра характеризуются коэффициентом сглаживания:

,

где - коэффициент пульсации на входе; - коэффициент пульсации на выходе:

 

Если потери постоянного напряжения в невелики, т. е. , то коэффициент сглаживания можно определить по приближенной формуле:

.   

Где К_U – коэффициент передачи фильтра по переменному току.

Для простейших фильтров

 

Для Г - и П-образных фильтров соотношение между реактивными элементами и сопротивлением нагрузки такие же:

При выполнении этих условий влиянием сопротивления нагрузки можно пренебречь и при расчете сглаживающих свойств фильтров их  не учитывают.

,

где - угловая частота сети, m – количество фаз, зависит от схемы выпрямления.

В этой схеме должно выполняться условие:

, при  и

Если нагрузка меняется, то С определяется: , где  - изменение выходного тока.

 

 

RC- фильтры:

q=1+(m·ω_c·C·R _экв), где R _экв =R||R _н

 

  Недостаток RC -фильтров – потеря активной мощности.

Необходимо задать КПД:

; δ=0,6…0,8

Из расчета КПД вычисляют R и определяют С:

Существуют многоуровневые фильтры, но там выражение существенно сложнее.

 

Резонансные фильтры

1)
Схема с заграждающим фильтром:

,

где r _др – сопротивление потерь дросселя.

Коэффициент сглаживания:

2) Схема с режекторным фильтром:

Сопротивление контура на резонансной частоте:

, где r _потерь  =  активные потери в конденсаторе + активные потери в дросселе L_k.

Коэффициент сглаживания:

Резонансный фильтр обеспечивает подавление пульсаций в 5-10 раз лучше, чем обычные LC -  фильтры.

Недостатки схемы:

- индуктивность дросселя зависит от протекания тока;

- требуется дополнительный элемент.

 Следовательно, реальное улучшение 3-5 раз.

3) Подавление пульсаций может осуществляться в компенсационных фильтрах:

Активные фильтры

В качестве подавляющего элемента используют транзистор (транзисторные фильтры):

1) Включение транзистора по схеме с ОК:

Если пренебречь I _б, то

R 1, R2, C образуют фильтр нижних частот (ФНЧ).

Постоянная времени:

, то

,

т.к.   j ω CR ₁ >>1=> К_ф= 1/ j ω CR ₁

Коэффициент передачи эмитерного повторителя:

,

S = I_H / φ_T => К_эп≈ 1

Напряжение пульсаций:

, где U_A – напряжение Эрли,

Если условие не выполняется, транзистор переходит в режим насыщения, его выходное R редко падает, пульсация на выходе резко возрастает. Это условие не позволяет ставить фильтр на выходе однофазных и двухфазных выпрямителей.

2) Активные фильтры по схеме с ОБ:

 

 

 

, S-крутизна транзистора.

 

Схема ШИклАи

 Тип составного транзистора определяет транзистор VT1. Транзистор VT2 – усилитель мощности.

Для уменьшения пульсаций  используют питание опорного источника от выходной цепи стабилизатора, а не от     входной цепи.

 

Принципиальная схема такого стабилизатора:

В схеме VT1 – регулируемый элемент, резистор R3 и VD2 образуют источник опорного         напряжения. Управляющий элемент - дифференциальный каскад VT2-VT3.

 

Предположим, что R_H возрасло, следовательно, U на выходе увеличилось, следовательно, увеличилось U на базе VT 3, а на базе VT 2 осталось прежним, следовательно, VT 3 – открыт, VT 2 – закрывается и ток в базе VT 1 уменьшается. U на нагрузке уменьшается до тех пор, пока

 

В этой схеме стабильность   практически определяется стабильностью источника. Обладает недостатком: она не защищена от короткого замыкания по выходу. В стабилизаторах U часто используют защиту от К3:

 

 

   

VT 4 закрыт и входной ток распределяется между током базы транзистора VT1 и током управления . Работа схемы аналогична работе предыдущей схемы.

Когда напряжение на резисторе R_ИЗМ достигает порога открывания транзистора VT4 часть входного тока  начинает поступать в коллектор транзистора VT4 и ток базы транзистора VT1 остается практически неизменным, следовательно, ток нагрузки также неизменен.(т.е. схема переходит в режим стабилизации тока).

 

 

Получение двухполярных напряжений от одного источника:

 

Соотношение между Е₁ и Е₂ определяется R ₁, R ₂

При R ₁ = R ₂: Е₁ = Е₂

Максимальный ток от этой схемы определяется токами VT 1, VT 2.

 

Однотактные преобразователи

Однотактные преобразователи бывают двух видов:

С внешним возбуждением

В исходном состоянии на базу VT1 и VT2 подается 0 потенциал, оба транзистора закрыты. На вход подаются импульсы U_вх.

∆t – защитный интервал t3-t2.

Транзисторы поочередно в режиме насыщения. Из насыщения в режим отсечки нельзя перейти мгновенно.

За t_расс транзистор переходит из одного режима в другой.

 

Для исключения эффекта «обратных токов». Существует время перехода для рассасывания избыточных разрядов.

Транзисторные инверторы используются на мощности до 500 Вт. При уменьшении мощности до 50 Вт используют инверторы самовозбуждения.

Принципиальная схема инвертора самовозбуждения:

 

В момент включения U_пит на базе транзистора возникает потенциал

Так как К _I у транзисторов разные, то ток первого из них будет больше, чем ток другого.

Разностный ток создает магнитный поток в первичной обмотке сердечника: , где Ф₂ - поток, который создает коллекторный ток VT 2.

Для самовозбуждения должно выполняться условие баланса фаз и амплитуд.

Условие баланса амплитуд:

К – коэффициент усиления; β – коэффициент образа связи

S – крутизна транзистора

 - условие баланса амплитуд, где  - температурный потенциал.

Работа схемы:

Схема называется схемой с насыщающимся сердечником.

Броски тока уменьшают КПД преобразователя (используются до 50 Вт).

_, где S – площадь сердечника, W₁ – число витков в первичной обмотке.

Магнитная индукция сердечника меняется от – Bs до + Bs (t ₀ - t ₂), тогда

, где Bs – магнитная индукция, соответствующая началу участка насыщения.

, если R₁ зашунтировать, то I_б возрастет:

Было бы то же самое, если включить C_бл на R₂:

Однотактная схема транзистора с насыщенным сердечником получается из схемы, если убрать одно плечо. В однотактной схеме усиление возбуждения получается хуже, и на базу надо подавать большое напряжение. В одноактном преобразователе протекает большой постоянный ток через обмотку трансформатора, поэтому мощность таких инверторов делают не больше, чем на 1-2 Вт.

В двухтактном преобразователе при той же мощности сердечник будет меньше. В этих схемах отсутствует ток подмагничивания.

При мощностях больше 100 Вт используют тиристорные инверторы.

    Тиристорный инвертор со средней точкой:

Пусть включен VD 1, следовательно, ток идет через W _11, С заряжается: W₁₁=E_п-U_VD1≈E_п.

Затем подаем отпирающий импульс на VD 2: VD 2 открывается, а к VD 1 приложено напряжение на С: U_c = 2·Еп, VD 1 закроется и ток потечет через W ₁₂, конденсатор перезарядится. Когда VD 1 откроется, процедура повторится.

Так как тиристоры имеют мощность большую, чем транзистор, следовательно, на таких преобразователях можно получить мощность единицы-десятки кВт.

Конденсатор С должен выбираться из условия:

Умножение напряжений

Простейшая схема – схема Латура:

t₁: VD2 запирается и С₂ заряжается через R_H.

(-) полуволна: открывается VD1 и C₂ заряжается от + к -, С₁ - от + к -.

Пусть C₁=C₂=C, постоянная разряда :  

[ , так как емкость включена последовательно]

Если  (период входного сигнала), то амплитуда пульсаций :

[Т/2 – f_пульс больше в 2 раза, чем f_{вх.сети}]

 (чем больше С, тем меньше пульсации)

 увеличивается – U₀ → U_m

 уменьшается - U₀ → ≈U_m/2

От постоянной времени разряда зависит постоянное напряжение на выходе (U ₀).

При необходимости умножения напряжения в 3 и больше раз используются две основные схемы:

                                    

                                       (I)

 

1. в течение первого полупериода (-/+) С₁ заряжается через VD1 до , остальные диоды закрыты и С₂, С₃, С₄ не заряжаются;

2. в течение второго полупериода (+/-) VD1 запирается и начинается заряжаться С₂ до ;

3. в течение третьего полупериода , следовательно, VD1 открыт.  через VD3 прикладывается к С₃, и С₃ заряжается до ;

4. в течение четвертого полупериода включается VD2 и VD4, в результате С₂ заряжается до , а С₄ до .

При R=∞ и , ,  и , то R_H необходимо включить между точками 1 и 2.

Каждая последующая ступень увеличивает максимально U _вых на величину 2U_m (для данной схемы). Чем больше ступеней умножения, тем больше U _{вых ,} больше R _вых каскада и меньше I_H.

Удобство схемы в том, что каждая емкость рассчитана на U<2U_m. Запирающее U на диодах тогда не превышает 2U_m.

 

 

 

                                                                                                                             (II)

 

 

1. в течение первой полуволны (напряжение -/+) одновременно заряжаются С₁ и С₃: U_C1 , U_C3 .

2. в течение второй полуволны (напряжение +/-) начинают заряжаться С₂ и С₄ одновременно: U_C2 , U_C4 .

3. в течение третьей полуволны:

U_C1=U_m

U_C3=U_C2+U_m=3U_m.

 

Каждый последующий каскад увеличивает суммарное напряжение на U_m: ∆U= U_m. По сравнению с предыдущей схемой данная схема обладает меньшим R_вых, следовательно, больше токи на выходе. Недостаток схемы – каждый последующий конденсатор должен быть рассчитан на большее напряжение: U_{вых. макс.}=n·U_m, где n – число каскадов умножения.  

 

Источники электропитания

Источники электропитания являются неотъемлемой частью каждой аппаратуры и делятся на две группы:

1. первичные (электростанции);

2. вторичные.

К первичным источникам электропитания относятся устройства, преобразующие любой вид энергии (кроме электрической) в электрическую энергию:

• механическую в электрическую;
• химические (батарейки, аккумуляторы);
• солнечные батареи;
• дизель-генераторы.

К вторичным источникам электропитания относятся устройства, преобразующие электрическую энергию с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами и делятся на две группы:

1. с трансформаторным входом;

2. с безтрансформаторным входом.

Структурная схема источников электропитания  с трансформаторным входом

Трансформатор осуществляет:

1. гальваническую развязку между первичной сетью и нагрузкой;

2.
масштабирование напряжения первичной сети.

                                                                

уменьшает пульсации напряжения

 

Поддерживает напряжение постоянным при изменении напряжения питания и при изменении нагрузки.

Стабилизация напряжения происходит за счет обратной связи.

Основной недостаток схемы заключается в том, что трансформатор работает с напряжением сети, которое составляет 50 Гц (частота тока) – большие габариты трансформатора (чем больше ток нагрузки, тем они больше).

  Типовая структура источников электропитания  с безтрансформаторным входом

Выпрямитель 1 выпрямляет сетевое напряжение.