40175

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Классификация: 1 устройства согласования уровня напряжения служат для преобразования постоянного или переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. 2 устройства согласования стабильности напряжения: сглаживающие фильтры служат для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения тока и стабилизаторы – служат для стабилизации среднего значения выходного тока напряжения или мощности. 3 устройства согласования частоты: выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение содержащее...

Русский

2013-10-15

269 KB

4 чел.

5 ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Служат для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Классификация: 1) устройства согласования уровня напряжения служат для преобразования постоянного или переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. 2) устройства согласования стабильности напряжения: сглаживающие фильтры  - служат для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения  (тока), и стабилизаторы – служат для стабилизации среднего значения выходного тока, напряжения или мощности. 3) устройства согласования частоты: выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение) и инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное с заданной формой и частотой.

Параметры: 1) номинальные уровни входного Uвхном и выходного напряжений; 2) коэффициент нестабильности напряжения – предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений  ; ; 3) коэффициент пульсаций – учитывает на входе переменной составляющей напряжения ε=Umi/Uном – где Umi – амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения (постоянного), представляющая собой амплитуду низшей (основной) его гармоники.

5.1 Выпрямители

Это преобразователи переменного напряжения в пульсирующее напряжение.

  1.  Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 5.1). Uвх=Umsinωt.

На интервале 0<t<T/2 диод VД смещен в прямом направлении. При этом ток и напряжение в нагрузке Rн повторяют форму входного сигнала. На  интервале T/2<t<T диод VД смещен в обратном направлении. При этом ток и напряжение в нагрузке равны нулю.

,

где Um – амплитуда Uвх. Действующее значение напряжения U=Um/√2, тогда Uнср=√2U/π. Аналогично амплитуда выпрямлённого тока Im=Um/Rн.

,

где Im – амплитуда выпрямленного тока. Действующий ток в нагрузочном резисторе Iд=0,5Im. Максимальное обратное напряжение на диоде Uд обр=Um. Коэффициент пульсации, равный отношению амплитуды низшей  (основной) гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения ε=Um1/Uнср=π/2=1,57. Следовательно, из-за высокой пульсации, однополупериодный выпрямитель находит редкое применение.

  1.  Однофазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 5.2). На интервале 0<t<T/2 под действием Uвх диод VД1 смещен в прямом направлении и поэтому ток нагрузки определяется Uвх. На этом же интервале VД2 смещен  в обратном направлении и к нему прикладывается Uн+Uвх. В результате максимальное обратное напряжение запертого диода Uд max=2Um. На интервале T/2<t<T диод VД1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки под действием напряжения Uвх протекает через прямосмещенный диод VД2. При этом среднее значения напряжения  нагрузки будут в 2 раза превышать напряжение однофазной однополупериодной схемы.Uнср=2Um/π=2√2U/π; Iнср=2Im/π=2√2I/π (U, I - действующие значения, Um, Im – амплитудные значения). Коэффициент пульсаций ε=Um1/Uнср=2/(n2-1), где n – количество диодов. При n=2 ε=2(22-1)=0,67, т. е. эффективность двухполупериодного выпрямителя значительно выше однополупериодной схемы. Недостатки: необходимость 2-х источников Uвх, высокое значение Uд обр=2Um, малое значение Ucp. Указанные недостатки устранены в следующих схемах.

      

5.2 Однофазный мостовой выпрямитель

На интервале 0<t<T/2 сумма напряжений Uвх+Uвх=Uвх смещает в прямом направлении включенные последовательно с нагрузкой диоды VД1 и VД4 (рис. 5.3). При этом мД2 и vД3 смещены в обратном направлении напряжением, приложенным к нагрузке (Uд обр=Uн). На интервале T/2<t<T, Uвх=Uвх+Uвх смещает VД2 и vД3 в прямом, а диоды VД1 и VД4 в обратном  направлении. Как и в однофазной двухполупериодной схеме напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего перио-

де изменения Uвх и превышает в 2 раза выходное напряжение предыдущей схемы. Параметры этой схемы аналогичны схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

5.3 Однофазный мостовой выпрямитель

с двумя выходными напряжениями

Если мостовую схему выпрямителя (рис. 5.4) использовать совместно с источником, снабженным средней точкой, и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собственную нагрузку, на выходе выпрямителя получим два равных, но обратных по знаку напряжения. Такой выпрямитель часто используется для питания устройств с применением операционных усилителей.

5.4 Трехфазный однополупериодный выпрямитель

В схеме (рис. 5.5) используется входной источник со схемой соединения «звезда» и три однополупериодных выпрямителя. В течение одного периода изменения Uвх последовательно проводят три диода.

,

где U – амплитуда напряжения. Спектральный состав выпрямительного напряжения

Отсюда видно, что выпрямительное напряжение содержит помимо постоянной составляющей гармоники, кратные трём – 3, 6 и .т.д., т.е. первой из присутствующих в пульсирующем выходном напряжении гармоник является третья гармоника, которая и будет основной гармоникой Uвых . Поэтому частота Uвых . В этом случае коэффициент пульсации ;

UД обр = Um линейное=Uф.

5.5 Трехфазный двухполупериодный выпрямитель

(Схема Ларионова. Источник входного напряжения соединён по схеме «звезда» или «треугольник»).

В схеме (рис. 5.6) используются обе полуволны питающего трёхфазного напряжения для обеспечения тока в нагрузке. Поэтому выпрямленное напряжение Uн отличается долее высоким качеством, а продолжительность проводящих интервалов для последовательно соединённых пар (VД1 и VД5, VД2 и VД6, VД3 и VД4) составляет Т/6.

,

где Um л и Um ф – амплитуды линейного и фазного входных напряжений.

UД обр=Um л. Спектральный состав выпрямленного напряжения

Следовательно, первой, основной из всех гармоник, присутствующих на выходе выпрямителя, будет напряжение с частотой, в 6 раз превосходящей частоту входного напряжения. Коэффициент пульсаций Uвых (по 6-ой гармонике), т.е. амплитуда первой из присутствующих на выходе выпрямителя гармоник напряжения составляет только 5,7% от среднего значения напряжения, что говорит о высокой эффективности данной схемы.

5.6 Устройства стабилизации напряжения питания

При разработке этих устройств решаются две задачи: стабилизация мгновенных значений выходного напряжения (уменьшение переменной составляющей напряжения – пульсаций напряжения) и задача стабилизации среднего значения выходного напряжения на заданном уровне.

5.6.1 Стабилизация мгновенного значения Uвых

5.6.1.1 RC-фильтр

В этом звене коэффициент передачи напряжения для переменной составляющей напряжения меньше, чем для его постоянной составляющей. При этом постоянная составляющая напряжения проходит в нагрузку без изменений, а его переменная составляющая ослабляется делителем, образованным этим звеном и нагрузкой ИВП.

Сглаживающий RC-фильтр. Передаточная функция

,

где К0=Rн/(Rн+Rф) – коэффициент передачи звена для постоянной составляющей напряжения; τ=RнRфCф/(Rн+Rф) – постоянная времени звена. Подставив p=, найдём модуль амплитудно-фазовой характиристики

;

.

Если ωτ >> 1 и пренебречь единицей, то К(ω)=К0/(ωτ).

Следовательно, с увеличением ω коэффициент передачи звена падает, и амплитуды высокочастотных составляющих, передаваемых звеном в нагрузку, будут уменьшаться, постоянная составляющая выпрямительного напряжения передаётся в нагрузку неизменной. Такой фильтр называется сглаживающим.

Эффективность фильтров оценивается коэф. сглаживания q. εвых=Umi/Uн ср, εвых=UmiK(ωi)/Uн срK0, где  Umi – амплитуда i-й гармоники на входе фильтра; ωi – частота i-й гармоники

, .

По заданному коэффициент пульсаций Uвых можно определить параметры сглаживающего фильтра.

  1.  Емкостной сглаживающий фильтр

Схема емкостного сглаживающего фильтра приведена на рис. 5.8.

Фильтр включён на выходе однофазного двухполупериодного выпрямителя. В момент t=t1 напряжение на Сф равно мгновенному значению Uвх, т.е. Uc(t1)=Uвх(t1). При увеличении Uвз смещается в прямом направлении соответствующая пара диодов выпрямителя, через них протекает ток, равный сумме тока нагрузки и зарядного тока конденсатора , где Um и ω – амплитуда и частота Uвх. После момента t2, Uвх становится меньше Uc. Это приводит к запиранию ранее открытых диодов (Uc>Uвх) и отключение нагрузки Uвх. Далее до момента t4 напряжение на нагрузке будет поддерживаться за счёт заряда в Сф, накопленного за время t1-t2. Выключение диодов происходит в момент, когда Uвх<Um. В момент t=T/4 ток

Подключение на выход выпрямителя ёмкостного фильтра качественно изменяет режим его работы. Энергия от входного источника отбирается только на интервале t1-t2 при Uвх >> Uc. Чем больше Сф, тем меньше реальная пульсация Uвых, тем короче интервал Δt1 = t2 - t1 и тем ближе значение напряжения нагрузки к амплитудному значению  Uвх.

5.6.1.3  Индуктивно-емкостной сглаживающий фильтр

От RC-фильтра отличается большими значениями К0 и q. При увеличении частоты входного сигнала уменьшается сопротивление конденсатора Zc = 1/ωCф и растёт сопротивление индуктивности ZL = ωLф. Поэтому активное сопротивление индуктивности не влияет на коэффициент сглаживания фильтра ,

где  - постоянная времени фильтра, ;  - коэффициент передачи фильтра по постоянному току. Считая, что , коэффициент сглаживания q = ω2LфCф. Методика расчёта фильтра такая, как у  RC-фильтра.

5.6.2 Стабилизация среднего значения Uвых.

Стабилизаторы служат для исключения отклонения Uвых от заданного значения, классификация – параметрические и компенсационные. Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходной электрической величины за счёт нелинейности используемого полупроводникового элемента (стабилитрона). Компенсационный стабилизатор – это замкнутая система автоматического регулирования, в которой коэффициент передачи звена, включённого в цепь передачи электрической величины, зависит от разности от входного и некоторого эталонного сигнала. Различают стабилизаторы напряжения, тока или мощности. По способу управления стабилизаторы делятся на непрерывные и ключевые.

  1.  Параметрический стабилизатор напряжения

В схеме для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратного электрического пробоя стабилитрона VД1. Если заданы Uвых, Rн, Uвх max и Uвх min, то откладывая на оси напряжений Uвх min и Uвх max и проведя через эти точки прямые, угол наклона которых определяется сопротивлением Rб, получим Uвх min и Uвх max. Вследствие нелинейности ВАХ стабилитрона изменению ΔUвх будет соответствовать изменение ΔUвых.

Предположим, Rн >> Rб, Iб = Iст, ΔUвх >> ΔUвых = 0, Rн = const.

Тогда ΔIвх = ΔUвх / Rб и ΔUвых = ΔIвхrд, (rд – дифференциальное сопротивление стабилитрона);                  ΔUвых / ΔUвх = ΔIвхrд / ΔIвхRб.

Коэффициент стабилизации (Кu)ст = (ΔUвх / Uвх) / (ΔUвых / Uвых) = UвыхRб / (Uвхrд),

где     Uвх = (Uвх min + Uвх max) / 2.

  1.  Компенсационный стабилизатор

Работа основана на ООС. РЭ – регулирующий элемент; ИЭ – измерительный элемент; Uэт – элемент сравнения и источник эталонного напряжения. Вых. напряжение ИЭ, пропорциональное стабилизирующему параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки Uош = UэтUиз – управляет коэф. передачи РЭ. Увеличение Uош, вызванное уменьшением выходного параметра, увеличивает коэф. передачи РЭ, что ведёт к восстановлению исходного значения выходного напряжения. И наоборот, увеличение Uвых, уменьшая сигнал ошибки, уменьшает коэф. передачи РЭ.

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных стабилизаторах роль РЭ играет транзистор, а в ключевых – импульсный усилитель мощности.

  1.  Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения

Схема компенсационного стабилизатора напряжения показана на рис. 5.12.

Uвых = Uвх + UКЭ; UКЭ = UКБ + UБЭ = UБЭ + const,

UКБ = IRRсм = UвхUДА вых, .

Рис. 5.12 Компенсационный стабилизатор напряжения

Так как ООС в усилителе отсутствует, то из-за большого можно считать, что во всех режимах работы , следовательно, Uвых = UЭТ(R1 + R2) / R2. Возникновение любых отклонений Uвых от указанного уровня приводит к нарушению условия . Это изменяет Uвых операционного усилителя, а, следовательно, и напряжение UКБ транзистора VТ, компенсируя возникшие отклонения.

Например, увеличилось Uвых стабилизатора. Тогда , что приводит к уменьшению UДА вых и увеличению UR см и UКЭ, что компенсирует возникшие отклонения. При уменьшении Uвых увеличивается UДА вых, уменьшается UR см и UКЭ и Uвых восстанавливается.

  1.  Непрерывный компенсационный стабилизатор тока

Схема отличается от стабилизатора напряжения наличием ООС по току вместо ООС по напряжению. Для этого в цепь протекания тока вводится постоянный резистор Rиз, напряжение которого сравнивается с эталонным Uст. В качестве эталонного используется напряжение параметрического стабилизатора

на стабилитроне VД. Сигнал ошибки выделяется на эмиттерном переходе VТ. Т.к. потенциал базы зафиксирован напряжением стабилитрона, любое изменение выходного тока приводит к изменению напряжения на . Например, если Iвых увеличится, напряжение на эмиттерном переходе уменьшится, что вызовет уменьшение базового, а, следовательно, и коллекторного тока VТ.

Iвых = (UстUБЭ) h21Э / RU3 (h21Э + 1).

5.6.2.5 Ключевой стабилизатор напряжения

Схема ключевого стабилизатора напряжения представлена на рис. 5.14.

                                         

а)                                                              б)

Рис.5.14 Ключевой стабилизатор напряжения (а);

График работы стабилизатора (б)

Предположим, что в некоторый момент времени Uвых стабилизатора выше требуемого. Поэтому и на выходе компаратора формируется высокий уровень напряжения Uвых ДА max. Это напряжение насыщает управляющий транзистор VТ2. Напряжение на резисторе смещается UR см = UвхUКЭ 2 насUвх, и результирующий транзистор VТ1 заперт. Ток дросселя, протекая через замыкающий диод, отдаёт накопленную энергию в нагрузку. При уменьшении энергии дроммеля Uвых стабилизатора уменьшается и в момент t = t0 напряжение становиться меньше напряжения отпускания компаратора Uот. Компаратор формирует на выходе низкий уровень напряжения Uвых ДА min. Транзистор VТ2 запирается, а транзистор VТ1 под действием тока резистора Rсм попадает в режим, близкий к насыщению. При этом ко входу RC-фильтра прикладывается напряжение, близкое ко входному. Ток дросселя, а вместе с ним и выходное напряжение начинают увеличиваться. В момент t1  и компаратор выключает регулирующий транзистор VТ1. Далее до момента t2 Uвых стабилизатора опять поддерживается за счёт энергии, накопленной в элементах фильтра на интервале t0t1 и т.д.

  1.  Управляемый выпрямитель

Схема управляемого выпрямителя представлена на рис. 5.15.

а)

б)

Рис.5.15 Схема управляемого выпрямителя (а); График работы (б)

Схема управления тиристором VД формирует на его управляющем выходе импульс напряжения, сдвинутый относительно момента Uвх = 0 на некоторый угол α, называемый углом включения (рис. 5.15). Этот импульс при условии Uвх > 0 включает тиристор. При активной нагрузке Rн тиристор VД автоматически выключается в тот момент времени, когда его напряжение приближается к нулю. При наличии сигнала управления длительность включенного состояния тиристора определяется

,

где Т – период колебаний Uвх.

.

Например, при α = 0 время и тиристор VД полностью открыт в течение положительных полуволн питающего напряжения. При α = π/4 , что соответствует уменьшению времени включения тиристора на 1/4, т.е. на 25% и т.д.

На диаграммах показано, что при наименьшем угле включения тиристора α = 0 (рис. 5.15 б) Uн ср имеет максимальное для полупериодной схемы значение, равное     Uн ср 0 = Um / π. При α = π/2 (рис. г)  . Если в режиме минимальной нагрузки обеспечить, например, α = π, а затем по мере повышения нагрузки уменьшить угол α, то за счёт увеличения tU можно компенсировать падение напряжения на выходном сопротивлении выпрямителя и получить неизменное значение Uн ср. Такой принцип управления называют фазоимпульсным (вертикальным) и применяют в тиристорных преобразователях различного назначения.

5.7.1 Схема управления тиристором

Формируют управляющие импульсы в заданные моменты времени, соответствующие заданным значениям угла α. При этом для надёжной работы тиристора необходимы кратковременные импульсы с большой крутизной фронта (рис. 5.16).   Схема пик-генераторного управления тиристором состоит из динисторного автогенератора релаксационных колебаний (параллельно включённые конденсатор Су и динистор VД2), служащего одновременно и формирователем кратковременных импульсов управления тиристором VД1. В момент положительных полуволн питающего напряжения Uвх под действием тока управления iупр начинается заряд конденсатора Су. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение Uc на конденсаторе не достигнет значения , достаточного для переключения динистра VД2. С этого момента t = t1 (рис.5.16) динистр переходит в проводящее состояние, характеризующееся чрезвычайно низким выходным сопротивлением. В результате этого конденсатор Су разряжается через динистр VД2 на резистор Rу и управляющий переход тиристора VД1 (рис. 5.16). Окончание времени разряда обусловливается снижением тока динистора до величины Iвыкл. В этот момент происходит обратное переключение динистора в состояние отсечки, конденсатор Су вновь получает возможность заряжаться током iупр.

При изменении тока iупр (рис. 5.16) изменяется время заряда конденсатора Су до напряжения  и поэтому наблюдается сдвиг импульсов управления по времени (рис. 5.16 б). Это позволяет менять угол включения α тиристора, обеспечивая фазоимпульсный способ управления выходным напряжением. Этот принцип управления тиристором применяется для однофазных и многофазных выпрямительных устройств.

  1.  Двухполупериодный тиристорный управляемый выпрямитель

Выпрямитель построен на основе двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой (рис. 5.17). Если на управляющие входы тиристоров постоянно подано отпирающее напряжение от обычного 2-х полупериодного выпрямителя со средней точкой Uвых ср = 2Um / π.

Если же в каждый из полупериодов управляющее напряжение будет подаваться на соответствующие тиристоры с задержкой на угол α, ко входу фильтра будет прикладываться  только часть Uвх (рис. 5.17 б).  

При изменении α от 0 до π Uвых ср будет изменяться от 2Um / π до Uср min = 0.

PAGE  69


б)

Рис. 5.13 Компенсационный

стабилизатор тока

Рис.5.16 Схема включения тиристором (а); График работы (б)

а)

а)

  а)

  б)

Рис.5.1 Однофазный однополупериодный  выпрямитель (а); Формы входного и выходных сигналов (б)

Uвх

Рис.5.2 Однофазный двухполупериодный выпрямитель (а);

Формы входный и выходных сигналов (б)

Рис. 5.3 Однофазный мостовой выпрямитель

Рис. 5.4 Однофазный

мостовой выпрямитель

 а)

  б)

Рис. 5.5 Схема выпрямителя (а) и входные и выходные сигналы

трехфазного однополупериодного выпрямителя (б)

 а)

б)

Рис. 5.6 Схема выпрямителя (а) и формы входного и выходного сигналов (б) трехфазного двухполупериодного выпрямителя

Рис.5.7 Сглаживающий

RC-фильтр

  а)

 б)

Рис. 5.8 Схема емкостного сглаживающего фильтра (а);

Формы входного и выходных сигналов (б)

Lф

Рис.5.9 Индуктивно-емкостной сглаживающий фильтр

Сф

RH

Uвых

Uвх

б)

б)

а)

а)

Рис. 5.11 Компенсационный стабилизатор

Uвых

Uэm

Uиз

Uoш

Еэm

ИЭ

РЭ

  а)

UH

RH

Iсм

VД1

Rб

Iст

Iст.min

Iст.max

А

В

б)

Рис. 5.10 Схема параметрического стабилизатора на стабилитроне (а);

графическая интерпретация работы стабилизатора (б)

EMBED Equation.3  

Рис.5.17 Схема двухполупериодного

тиристорного выпрямителя (а);

График работы выпрямителя (б)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3682. Эпителиальные и соединительные ткани 1.72 MB
  Классификация тканей. Ткань – это исторически (филогенетически) сложившаяся система клеток и неклеточных структур, обладающих общностью строения, специализирующаяся на выполнении определенных функций. Каждая ткань происходит из опре...
3683. Нормативно-правовая база принятия управленческих решений в области безопасности 125 KB
  Обеспечение безопасности, как, собственно, все функции любого государства, подвергается нормативно-правовому регулированию. В объективном смысле понятие безопасность можно определить как состояние защищенности жизненно-важных интересов госу...
3684. МЕТОДИКА РАЗВИТИЯ ОБЩЕЙ И СПЕЦИАЛЬНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ ХОККЕИСТОВ 13-14 ЛЕТ 104.87 KB
  Выносливость – это способность человека к длительному выполнению какой-либо работы без заметного снижения работоспособности. А уровень выносливости обычно определяется временем, в течение которого человек может выполнять заданное физическое упражнение. Чем продолжительнее время работы, тем больше выносливость
3685. Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда 82 KB
  Проверка второго закона Ньютона на машине Атвуда ЦЕЛЬ: установить зависимость ускорения системы от действующей силы; определить из полученной зависимости массу системы. ОБОРУДОВАНИЕ: экспериментальная установка FRM, электронный секундомер с фотоэлек...
3686. Разработка паспорта буровзрывных работ для проходки горизонтальных и наклонных горных выработок 76.5 KB
  Разработка паспорта буровзрывных работ для проходки горизонтальных и наклонных горных выработок. Исходные данные. Таблица 1 Наименование выработки наклонный ствол Протяжённость выработки, м 380 Сечение выработки вчерне, м2 9,4 Мощность угольного пла...
3687. Невербальное общение 50 KB
  Невербальное общение – это «язык жестов», такие формы самовыражения, которые не опираются на слова и другие речевые символы. Австралийский специалист Аллан Пиз утверждает, что с помощью слов передается 7% информации, звуковых средств - 38%, мим...
3688. Черные дыры 131.5 KB
  Что такое черные дыры. Первые гипотезы и предположения. В современной науке черной дырой принято называть область пространства-времени, в которой гравитационное поле (тяготение) столь сильно, что ни один объект (даже излучение) не может вы...
3689. Нормирование точности и технические измерения 1.15 MB
  Нормирование точности и технические измерения Организация серийного выпуска изделий потребовала сокращения вложенного в них овеществленного труда. Добиться снижения себестоимости изделий можно было за счет упрощения конструкции (в первую очередь отк...
3690. Формирование здорового образа жизни. Факторы, определяющие здоровый образ жизни 49 KB
  Здоровье - бесценное достояние не только каждого человека, но и всего общества. При встречах, расставаниях с близкими и дорогими людьми мы желаем им доброго и крепкого здоровья, так как это - основное условие и залог полноценной и счастливо...