Файл: Курсовая Работа Структурная схема источника вторичного электропитания.docx
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 192
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
• тщательному обоснованию выбора структурной схемы;
• обоснованному выбору элементной базы с достаточно высоким запасом по предельным режимам и параметрам;
• разработке конструкции, обеспечивающей хороший теплоотвод и легкий доступ к отдельным узлам и элементам;
• проведение всесторонних испытаний макетов по климатическим и механическим воздействиям.
Выбор структурной схемы ИВЭП должен производиться с учетом требований надежности. При разработке должны предусматриваться необходимые устройства защиты, которые не участвуют в работе ИВЭП, а только обеспечивают повышение надежности. В их функцию входит:
• защита силовых элементов – транзисторов, диодов, тиристоров и др.;
• защита ИВЭП от коротких замыканий или полного отключения нагрузки;
• защита от возможных повышений или понижений питающих напряжений;
• защита нагрузки от возможных повышений или понижений выходных напряжений;
• защита от повышения температуры окружающей среды.
Выбор элементной базы в наибольшей мере влияет на надежность ИВЭП. На используемые элементы устанавливают максимальные коэффициенты нагрузки не более 70...80% от их предельно допустимых значений. Например, резисторы мощностью 1 Вт должны загружаться не более чем на 0,7... 0,8 Вт.
Конструкция ИВЭП должна обеспечивать хороший теплоотвод от нагревающихся элементов (транзисторов, трансформаторов и т.д.) и не допускать нагрев других элементов от нагревающихся элементов. Например, нельзя допускать нагрев микросхем управления от силовых транзисторов.
С целью обеспечения ремонтопригодности конструкция ИВЭП должна обеспечивать легкий доступ ко всем элементам. Расположение элементов должно быть таким, чтобы не вызывать повреждение питаемого устройства.
Лабораторные испытания макетов помогают вскрыть недостатки, которые не были учтены при разработке схемы и конструкции ИВЭП. Основная задача испытания макета – это обнаружение слабых мест в схеме и конструкции. Поэтому перед проведением испытаний составляют программу, в которой предусматривают проверку всех схем защиты и влияние различных климатических и механических воздействий. При соблюдении всех перечисленных требований ИВЭП должен обеспечивать требуемую наработку на отказ. Для полупроводниковых ИВЭП наработка на отказ должна быть не менее 10 тысяч часов при наработке на отказ отдельных элементов от 60 до 100 тысяч часов.
1.3 Линейные и импульсные ИВЭП
Источники вторичного электропитания принято делить на линейные и импульсные.
Структурные схемы линейных ИВЭП, использующих электроэнергию, получаемую от сети переменного напряжения через силовой трансформатор, приведены на рис. 1.2. Такие ИВЭП можно разделить на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.
В линейных ИВЭП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется. В нестабилизированных ИВЭП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты.
Схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом (рис. 1.2,а) состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсаций. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к удельной мощности и качеству выходных напряжений невысокие.
Если требуется изменять выходное напряжение ИВЭП, то в схему вводится регулируемый выпрямитель (рис. 1.2,б). Для регулировки выходного напряжения наиболее часто используются тиристорные выпрямители. Основным недостатком такого ИВЭП является необходимость в периодической регулировке выходного напряжения при изменении напряжения сети.
Рис. 1.2. Структурные схемы линейных ИВЭП: с нерегулируемым (а) и регулируемым (б) выпрямителем, со стабилизатором (в)
От этого недостатка свободен ИВЭП со стабилизатором (рис. 1.2,в). В стабилизаторах линейных ИВЭП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (например, транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.
Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение U вых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх, а сам стабилизатор непрерывно рассеивает мощность
P рас ≈ I вых(U вх – U вых),
где I вых – выходной ток (ток нагрузки).
Удельная мощность такого ИВЭП невелика по двум причинам: наличию силового трансформатора, работающего на частоте сети, и необходимости использования стабилизатора.
Совершенствование ИВЭП с целью повышения их КПД и увеличения удельной мощности привело к созданию импульсных ИВЭП. Структурные схемы таких ИВЭП с одним выходным каналом приведены на рис. 1.4.
Импульсные ИВЭП непосредственно выпрямляют напряжение питающей сети переменного тока без использования первичного силового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток коммутируется мощным электронным ключом (инвертируется), затем преобразуется высокочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется.
На рис. 1.3,а приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель (НСВ) и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора (РИ), работающего на повышенной частоте (обычно 20...200 кГц), трансформаторного выпрямительного узла (ТВУ) и высокочастотного выпрямителя и фильтра (ВВиФ). Для стабилизации выходного напряжения используется устройство управления (УУ).
Рис. 1.3. Структурные схемы импульсных ИВЭП с регулируемым инвертором (а) и с регулируемым сетевым выпрямителем (б)
В схеме управления сравниваются выходное напряжение Uн ИВЭП и напряжение источника опорного напряжения ИОН. Разность этих напряжений, называемая сигналом ошибки, используется для регулировки частоты РИ (f = vаr) или скважности импульсов при их неизменной частоте (γ = vаr). Конвертор, выполненный на базе однотактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным однотактным конвертором (ТОК). Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором (ТДК).
На рис. 1.3,б приведена схема импульсного ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем (РСВ) и нерегулируемым инвертором (НИ). Остальные узлы в этой схеме имеют то же назначение, что и на рис. 1.4,а. Отличительной особенностью этой структурной схемы является использование нерегулируемого инвертора. Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе конвертора с помощью РСВ, который обычно выполняют на тиристорах с фазовым регулированием.
Для схемы, приведенной на рис. 1.3,а, характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу с выпрямленным напряжением сети, которое имеет максимальное значение около 300 вольт для однофазной сети и около 530 вольт для трехфазной сети 220/380 вольт. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов РИ приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения. В результате увеличиваются массогабаритные показатели ВВиФ, так как его параметры рассчитывают исходя из минимального коэффициента заполнения импульсов γmin при условии непрерывности тока в нагрузке.
Положительным свойством схемы рис. 1.3,а является совмещение функций преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения Uн. Это позволяет упростить схему УУ. Кроме того, наличие паузы позволяет устранить сквозные токи в ключах инвертора.
Достоинством схемы, приведенной на рис. 1.3,б, является возможность обеспечения работы инвертора при пониженном напряжении (обычно его снижают в 1,5...2 раза), поэтому питание инвертора производится напряжением 130...200 вольт. Это существенно облегчает работу транзисторных ключей инвертора. Другим достоинством этой схемы является то, что инвертор может работать с максимальным коэффициентом заполнения γmax импульсов и, следовательно, упрощается фильтрация выходного напряжения. КПД и удельная мощность обеих схем отличаются незначительно.
Схемы многоканальных ИВЭП с нерегулируемым сетевым выпрямителем (НСВ) приведены на рис. 1.4. В схеме рис. 1.4,а используется нерегулируемый инвертор (НИ) и индивидуальные стабилизаторы напряжения С1...Сn в отдельных каналах. Такая структурная схема может использоваться при небольшом числе выходных каналов. При увеличении числа выходных каналов она становится неэкономичной. Схема, изображенная на рис. 1.4,б, работает на принципе групповой стабилизации выходного напряжения. Для этого в ней применяется регулируемый инвертор (РИ), который управляется напряжением одного из каналов. Стабилизация выходных напряжений в других каналах в этом случае ухудшается, так как они не охвачены обратной связью. Для улучшения стабилизации напряжения в этих каналах можно использовать индивидуальные стабилизаторы, так же, как в схеме рис. 1.4,а.
Рис. 1.4. Структурные схемы многоканальных ИВЭП с индивидуальной (а) и групповой стабилизацией (б)
Для питания радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры используются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве источников электропитания: преобразователь ток/постоянный ток (AС-DС преобразователь); преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор); преобразователь – постоянный ток/переменный ток (DC-AC преобразователь или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения.
Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств способны:
1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение;
2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения).
Импульсные стабилизаторы (преобразователи постоянного напряжения)используют принцип действия импульсных ИВЭП, но применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напряжение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Такие преобразователи используются, в основном, там, где аппаратура должна питаться от химического источника тока или другого автономного источника постоянного тока.
Интегральные импульсные стабилизаторы широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого источника питания или батареи.
Другое распространенное применение для DC-DC конверторов, это преобразование напряжения батареи (1,5; 3; 4,5; 9; 12; 24 В) в напряжение другого номинала. При этом выходное напряжение может оставаться достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения батареи. Например, напряжение 12 В автомобильной аккумуляторной батареи в процессе работы может изменяться в пределах от 6 до 15 В.
1.4.Сравнение импульсных и линейных ИВЭП.
Несмотря на то, что линейные ИВЭП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабильности по напряжению и току, малое время восстановления номинального уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока нагрузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение, являются: низкий КПД, значительные масса и габариты.
Импульсные ИВЭП находят широкое применение благодаря их значительно большой удельной мощности и большой эффективности. Важным достоинством импульсных ИВЭП является большое время удержания, то есть время, в течение которого их выходное напряжение остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения. Особую актуальность это приобретает в цифровых вычислителях и компьютерах.
Обобщенные результаты сравнения линейных и импульсных ИВЭП представлены в таблице 1.1.
2 ЛИНЕЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ