2015-05-30
1240Глава 7. ИСТОЧНИКИ
7.1. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ
Габариты и масса источников электропитания аппаратуры связи определяются параметрами сетевого трансформатора, низкочастотного фильтра и потерями тепла на регулирующих элементах линейных стабилизаторов.
Значительно меньше габариты и масса источников вторичного электропитания, работающих на повышенной частоте и с импульсным режимом регуляторов постоянного напряжения. Но для построения малогабаритных источников вторичного электропитании устройств связи на интегральных микросхемах параметры и этих источников не удовлетворяют требованиям. Лучшие показатели имеют источники питания с бестрансформаторным входом. В них напряжение сети сначала выпрямляется входным выпрямителем, затем пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются емкостным фильтром, после чего постоянное напряжение преобразуется инвертором в высокочастотное прямоугольной формы, которое трансформируется до заданного значения, снова выпрямляется, фильтруется и подается в нагрузку. Структурные схемы сетевых источников питания с бестрансформаторным входом приведены на рис. 7.1. В таких схемах гальваническая развязка выходной цепи источника вторичного питания от входной питающей сети осуществляется в трансформаторе инвертора. Стабилизация выходного напряжения осуществляется в инверторе ме?6дом широтно-импульсной модуляции, а также включением стабилизатора перед инвертором или после него.
На рис. 7.2 приведена функциональная схема источника вторичного электропитания с бестрансформаторным входом на основе полумостового регулируемого инвертора. Напряжение от сети поступает на вход бестрансформаторного мостового выпрямители, с выхода которого подается на инвертор. Транзисторы; инвертора поочередно отпираются широтно-модулированным сигналом. На выходе инвертора получается двухполярный широтно-импульсный модулированный сигнал повышенной частоты примерно 20 кГц. Затем это напряжение выпрямляется и фильтруется с помощью LC -фильтра.
Для построения малогабаритных источников вторичного электропитания силовые транзисторы должны быть высоковольтными (Uк.э.max доп > 350…400 В), пропускать ток коллектора I к = 5…10 А, иметь малые напряжения насыщения: U к.э = 1…2 В, обеспечивать работу инвертора на частотах 50…100 кГц и больше. Выпрямительные диоды должны быть высокочастотными (f > 50…100 кГц), с малым временем переключения.
Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом и импульсным регулированием имеют и ряд недостатков:
сложность схемы;
низкое быстродействие и малая точность стабилизации из-за инерционности импульсных фильтров;
наличие высокочастотных помех из-за широкого спектра импульсных сигналов.
7.2. СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Для нормальной работы устройств связи необходимы стабильные напряжения и токи. А на выходе преобразователей напряжение изменяется при изменении входного питающего напряжения. Этим вызываетсянеобходимость применения стабилизаторов в преобразователях напряжения.
Стабилизирующимипреобразователями называются устройства, создавайте на выходе достоянное напряжение U вых с заданной точностью при изменении входного напряжения питания и тока.
Напряжения в преобразователях осуществляет различными способами. На рис. 7.3 приведены структурные схемы преобразователей напряжения.
Обычно один и тот же преобразователь создает на выходе несколько напряжений - несколько каналов питания (рис. 7.3, а).
Преобразователи с централизованным вольтодобавочным стабилизатором (рис. 7.3, б) обеспечивают на выходе мощность около 100 Вт.
Более экономичными являются преобразователи с централизованной стабилизацией нескольких выходных напряжений, осуществляемой с помощью регулируемого преобразователя (рис. 7.3, в). В этом преобразователе совмещены функции преобразования и стабилизации, за счет чего повышается КПД. Он работает в режиме широтно-импульсной модуляции.
При децентрализованном способе стабилизации входное напряжение подается непосредственно на преобразователь, а на выходе в каждый канал включается индивидуальный стабилизатор - непрерывный или импульсный (рис. 7.3, г). Выходные напряжения в этой схеме имеют высокую стабильность, но низкий КПД.
Стабилизированное постоянное напряжение подается на преобразователь и поддерживает неизменным напряжение на его входе. На выходе преобразователя получается стабильное переменное напряжение. Этот способ стабилизации применяется в многоканальных источниках вторичного электропитания при необходимости получить от преобразователя несколько выходных стабилизированных напряжений с одинаковой стабильностью (3…5%).
Стабилизация напряжения по этой схеме может осуществляться как непрерывным, так и импульсным методом.
Схемы, построенные по первому методу, применяются в источниках вторичного электропитания мощностью до 2 Вт из-за низкого КПД.
Централизованные импульсные стабилизаторы более экономичны. Такие преобразователи применяют в многоканальных источниках вторичного электропитания с выходной мощностью до десятков ватт.
Но наиболее экономичными являются преобразователи с импульсным методом стабилизации выходного напряжения преобразователя: импульсный режим работы силовых транзисторов повышает КПД устройства, а повышение частоты коммутации до 300 кГц уменьшает его габариты и массу.
Схема преобразователя с входным импульсным стабилизатором приведена на рис. 7.4. Она составлена в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 7.3, а, и содержит следующие элементы: импульсный стабилизатор на транзисторе VT1, демодулирующий фильтр, образованный диодом VD, дросселем L и конденсатором С, схему управления СУ, управляющую режимом переключений регулирующего транзистора VT1 стабилизатора, и двухтактный усилитель на VT2 и VT3.
Принцип действия схемы состоит в следующем. Постоянное напряжение U вх подается на вход импульсного стабилизатора на вход импульсного стабилизатора на транзисторе VT1 и с выхода его через фильтр LC поступает на вход усилителя мощности на транзисторах VT2, VT3, который выполняет функцию преобразователя с независимым возбуждением. Постоянное напряжение в нем преобразуется в прямоугольнике без паузы на нуле. С выходной обмотки трансформатора Тр это напряжение подается на двухполупериодный выпрямитель на диодах VD2, VD3, выпрямляется и сглаживается емкостные фильтром С н.
На рис. 7.5 приведена схема двухтактного регулируемого преобразователя, составленная в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 7.3, в. Постоянное входное напряжение U вх сначала подается на преобразователь, выполненный на транзисторах VT1, VT2. Управление работой преобразователя осуществляется со схемы управления широтно-модулированными импульсами, которая следит за выходные напряжением на нагрузке R н и изменяет длительность импульсов таким образом, что среднее выходное напряжение поддерживается неизменным с определенной точностью при изменении входного напряжения U вх или тока нагрузки.
Интегральные схемы могут быть использованы в регулируемом преобразователе в качестве схем управления. Но выходной ток в интегральных микросхемах оказывается недостаточным для управления мощными силовыми транзисторами. Поэтому сигнал после схемы управления усиливают дополнительными усилителями, после чего усиленный сигнал рассогласования подается на вход мощных силовых транзисторов. Защита силовых транзисторов от перегрузки по току или короткого замыкания в преобразователе 
осуществляется схемой управления, которая получает сигнал о перегрузке с резистора защиты R защ.
Недостатком регулируемых преобразователей многоканальных источников вторичного электропитания является увеличение габаритов и массы из-за необходимости применения LC -фильтров в каждом выходном канале. Кроме того, при значительных изменениях тока нагрузки необходимы непрерывные стабилизаторы напряжения. Для устранения этих недостатков в регулируемых преобразователях дроссель надо включать со стороны источника питания, а не со стороны нагрузки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие источники питания называют источниками вторичного электропитания?
2. Нарисуйте структурную схему сетевого источника питания с бестрансформаторным входом.
3. Дайте определение стабилизирующего преобразователя.
4. Нарисуйте схему преобразователя с входным импульсным стабилизатором.
5. Поясните работу двухтактного регулируемого преобразователя.
