Файл: Курсовая Работа Структурная схема источника вторичного электропитания.docx
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 194
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.1 Обобщенная структурная схема линейного источника питания
Обобщенная структурная схема линейного источника электропитания представлена на рис. 2.1 [5].
Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема линейного источника электропитания: Пр – предохранитель; ГПП – гаситель переходных процессов; Ф – фильтр; С – стабилизатор; СТ – силовой трансформатор; БВ – блок выпрямления; Н – нагрузка
Основными элементами устройства являются: силовой трансформатор СТ, блок выпрямления ВБ, фильтр низкой частоты Ф2 и стабилизатор постоянного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают характеристики ИП и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы приведенной структурной схемы.
Гаситель переходных процессов. ГПП – это устройство, которое проводит ток, как только напряжение на его выходах превосходит определенный предел (действует как двухсторонний высоковольтный стабилитрон). ГПП являются компактными и дешевыми устройствами, способными гасить опасные импульсы тока в десятки и сотни ампер [8-10].
Фильтры. В качестве фильтра Ф1 используется простой линейный LC-фильтр. Часто в ИВЭП фильтр Ф1 препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях источника питания. Обычно такие фильтры рассчитаны на ток величиной несколько ампер и подавление помех порядка десятков децибел [8-10]. Фильтр Ф1 и ГПП успешно противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока.
Фильтр низкой частоты Ф2 предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Обычно это простой RC-фильтр с частотой среза порядка единиц герц. Чем ниже частота среза, тем эффективнее фильтр.
Стабилизаторы. Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных источниках питания используется редко.
Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми простыми устройствами являются параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах). Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. В качестве таких стабилизаторов чаще всего используются интегральные схемы.
Силовой трансформатор. В большинстве ИВЭП используют один или несколько трансформаторов. СТ в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. При проектировании ИВЭП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Отечественной промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания:
1) анодные (ТА) и накальные (ТН);
2) анодно-накальные (ТАН);
3) для питания устройств на полупроводниковых (ТПП)
4) силовые (ТС).
При выборе СТ необходимо учитывать следующие основные моменты:
1) мощность СТ должна быть не меньше мощности, потребляемой нагрузкой,
2) напряжение первичной обмотки должно соответствовать напряжению питающей сети,
3) в стабилизированных ИВЭП напряжение вторичной обмотки должно быть таким, чтобы на входе стабилизатора С2 минимальное значение постоянного напряжения превышало значение выходного напряжения (минимум на 3…5 В). Это связано с тем, что, во-первых, на линейном стабилизаторе должно быть падение напряжения 0,6…3 В, во-вторых, возможны периодические «просадки» напряжения питающей сети. В тоже время запас по напряжению не должен быть большим, так как в этом случае уменьшается КПД источника питания за счет увеличения рассеиваемой мощности линейным стабилизатором;
4) при необходимости регулирования выходного напряжения можно использовать СТ с несколькими вторичными обмотками (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Источник электропитания с дискретно изменяемым напряжением на входе блока выпрямления
Как следует из структурной схемы, на вход блока выпрямления БВ подается дискретно изменяемое напряжение вторичной обмотки. Переключение напряжения производится коммутатором К, который может управляться как вручную, так и сигналами, формируемыми специальной схемой управления в зависимости от требуемого уровня выходного напряжения.
Блок выпрямления. В качестве выпрямителей используются вентили – устройства, пропускающие ток в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды.
Предохранители. Защищают источник питания и подключенную к нему нагрузку от сильных токов, появление которых возможно при выходе из строя как самого источника, так и нагрузки. В качестве предохранителей используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые). Наибольшее распространение в качестве предохранителей получили плавкие вставки.
Одной из самых распространенных неисправностей ИВЭП является пробой конденсатора фильтра Ф2. При этом ток в первичной обмотке трансформатора может достичь нескольких ампер (вместо 0,1…0,5 А в нормальном режиме). При этом СТ, включенный в сеть переменного тока 220 В, будет рассеивать мощность соизмеримую с мощностью бытового электронагревателя.
Целесообразно выбирать предохранитель на ток, превышающий номинальный примерно на 50%. Это связано, во-первых, с периодически возникающими бросками токов переходных процессов при включении (заряд конденсатора фильтра Ф2), во вторых с «усталостью» предохранителя.
Нагрузка. В состав ИП не входит. Однако определяет большинство требований, предъявляемых к нему, и в первую очередь:
выходное напряжение;
выходной ток;
стабильность и пульсации выходного напряжения;
вид защиты выхода источника питания.
2.2 Нерегулируемые (неуправляемые) выпрямители
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема нерегулируемого выпрямителя приведена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структурная схема нерегулируемого (неуправляемого) выпрямителя
В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор, блок выпрямления и фильтрующее устройство.
Силовой трансформатор выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания функции трансформатора обычно выполняет высокочастотный инвертор.
Блок выпрямления является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры, транзисторы и др.). Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.
Фильтрующее устройство используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются ФНЧ, выполненные на пассивных RLС-элементах или с применением активных элементов (транзисторов, операционных усилителях и пр.). Качество фильтрующего устройства оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации Кф, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.
Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110…220 В.
2.3 Регулируемые (управляемые) выпрямители
Регулирование выходного напряжения выпрямителя может выполняться различными способами: с помощью регулируемого трансформатора, с помощью дросселей насыщения, с помощью резистивных или емкостных делителей напряжения и с помощью управляемых вентилей
1 Регулирование с помощью трансформатора или автотрансформатора с отводами обмотки. Данный способ регулирования напряжения является наиболее экономичным, так как при регулировании на всех ступенях сохраняется наиболее высокий коэффициент мощности. Принцип действия выпрямителя, в котором реализуется данный способ, иллюстрирует рис. 2.6.
Рис. 2.6. Структурная схема регулируемого выпрямителя, использующего автотрансформатор с отводами обмотки
3 Регулирование напряжения с помощью управляемых вентилей (тиристоров) может быть осуществлено несколькими способами: путем изменения параметров вентилей, входящих непосредственно в выпрямитель; изменением параметров вентилей, включенных в первичную обмотку трансформатора (фазовое регулирование на стороне переменного тока); изменением ширины импульсов (широтно-импульсное регулирование на стороне постоянного тока).
На рис. 2.7 показана структура выпрямителя, в котором выходное напряжение регулируется за счет изменения параметров вентилей, входящих непосредственно в выпрямитель.
Рис. 2.7. Структурная схема регулируемого выпрямителя с управляемыми вентилями
Генератор импульсов вырабатывает импульсы, которые подаются на управляющие электроды тиристоров регулируемого вентильного блока. Управляющие импульсы синхронизируются с изменением сетевого напряжения и сдвинуты с помощью фазосдвигающего устройства относительно нулевых значений напряжения вторичной обмотки на некоторый угол α. Изменяя фазовый угол α, например, с помощью потенциометра, можно управлять моментами перехода вентилей в проводящее состояние, то есть режимами работы силовой части выпрямителя.
2.4 Стабилизаторы напряжения. Параметрические стабилизаторы
Виды стабилизаторов и их основные характеристики
Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение (ток) на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.
По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.
Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.
Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке (рис. 2.8), измерительный элемент и преобразующее устройство. В измерительном элементе происходит сравнение выходного напряжения с опорным и вырабатывается сигнал ошибки. В преобразующем устройстве сигнал ошибки усиливается и преобразуется в управляющий сигнал для регулирующего элемента. Под действием этого управляющего сигнала изменяется внутреннее состояние регулирующего элемента так, чтобы поддерживать выходное напряжение стабильным.
Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.
Обобщенная структурная схема линейного источника электропитания представлена на рис. 2.1 [5].
Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема линейного источника электропитания: Пр – предохранитель; ГПП – гаситель переходных процессов; Ф – фильтр; С – стабилизатор; СТ – силовой трансформатор; БВ – блок выпрямления; Н – нагрузка
Основными элементами устройства являются: силовой трансформатор СТ, блок выпрямления ВБ, фильтр низкой частоты Ф2 и стабилизатор постоянного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают характеристики ИП и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы приведенной структурной схемы.
Гаситель переходных процессов. ГПП – это устройство, которое проводит ток, как только напряжение на его выходах превосходит определенный предел (действует как двухсторонний высоковольтный стабилитрон). ГПП являются компактными и дешевыми устройствами, способными гасить опасные импульсы тока в десятки и сотни ампер [8-10].
Фильтры. В качестве фильтра Ф1 используется простой линейный LC-фильтр. Часто в ИВЭП фильтр Ф1 препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях источника питания. Обычно такие фильтры рассчитаны на ток величиной несколько ампер и подавление помех порядка десятков децибел [8-10]. Фильтр Ф1 и ГПП успешно противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока.
Фильтр низкой частоты Ф2 предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Обычно это простой RC-фильтр с частотой среза порядка единиц герц. Чем ниже частота среза, тем эффективнее фильтр.
Стабилизаторы. Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных источниках питания используется редко.
Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми простыми устройствами являются параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах). Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. В качестве таких стабилизаторов чаще всего используются интегральные схемы.
Силовой трансформатор. В большинстве ИВЭП используют один или несколько трансформаторов. СТ в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. При проектировании ИВЭП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Отечественной промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания:
1) анодные (ТА) и накальные (ТН);
2) анодно-накальные (ТАН);
3) для питания устройств на полупроводниковых (ТПП)
4) силовые (ТС).
При выборе СТ необходимо учитывать следующие основные моменты:
1) мощность СТ должна быть не меньше мощности, потребляемой нагрузкой,
2) напряжение первичной обмотки должно соответствовать напряжению питающей сети,
3) в стабилизированных ИВЭП напряжение вторичной обмотки должно быть таким, чтобы на входе стабилизатора С2 минимальное значение постоянного напряжения превышало значение выходного напряжения (минимум на 3…5 В). Это связано с тем, что, во-первых, на линейном стабилизаторе должно быть падение напряжения 0,6…3 В, во-вторых, возможны периодические «просадки» напряжения питающей сети. В тоже время запас по напряжению не должен быть большим, так как в этом случае уменьшается КПД источника питания за счет увеличения рассеиваемой мощности линейным стабилизатором;
4) при необходимости регулирования выходного напряжения можно использовать СТ с несколькими вторичными обмотками (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Источник электропитания с дискретно изменяемым напряжением на входе блока выпрямления
Как следует из структурной схемы, на вход блока выпрямления БВ подается дискретно изменяемое напряжение вторичной обмотки. Переключение напряжения производится коммутатором К, который может управляться как вручную, так и сигналами, формируемыми специальной схемой управления в зависимости от требуемого уровня выходного напряжения.
Блок выпрямления. В качестве выпрямителей используются вентили – устройства, пропускающие ток в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды.
Предохранители. Защищают источник питания и подключенную к нему нагрузку от сильных токов, появление которых возможно при выходе из строя как самого источника, так и нагрузки. В качестве предохранителей используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые). Наибольшее распространение в качестве предохранителей получили плавкие вставки.
Одной из самых распространенных неисправностей ИВЭП является пробой конденсатора фильтра Ф2. При этом ток в первичной обмотке трансформатора может достичь нескольких ампер (вместо 0,1…0,5 А в нормальном режиме). При этом СТ, включенный в сеть переменного тока 220 В, будет рассеивать мощность соизмеримую с мощностью бытового электронагревателя.
Целесообразно выбирать предохранитель на ток, превышающий номинальный примерно на 50%. Это связано, во-первых, с периодически возникающими бросками токов переходных процессов при включении (заряд конденсатора фильтра Ф2), во вторых с «усталостью» предохранителя.
Нагрузка. В состав ИП не входит. Однако определяет большинство требований, предъявляемых к нему, и в первую очередь:
выходное напряжение;
выходной ток;
стабильность и пульсации выходного напряжения;
вид защиты выхода источника питания.
2.2 Нерегулируемые (неуправляемые) выпрямители
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема нерегулируемого выпрямителя приведена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структурная схема нерегулируемого (неуправляемого) выпрямителя
В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор, блок выпрямления и фильтрующее устройство.
Силовой трансформатор выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания функции трансформатора обычно выполняет высокочастотный инвертор.
Блок выпрямления является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры, транзисторы и др.). Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.
Фильтрующее устройство используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются ФНЧ, выполненные на пассивных RLС-элементах или с применением активных элементов (транзисторов, операционных усилителях и пр.). Качество фильтрующего устройства оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации Кф, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.
Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110…220 В.
2.3 Регулируемые (управляемые) выпрямители
Регулирование выходного напряжения выпрямителя может выполняться различными способами: с помощью регулируемого трансформатора, с помощью дросселей насыщения, с помощью резистивных или емкостных делителей напряжения и с помощью управляемых вентилей
1 Регулирование с помощью трансформатора или автотрансформатора с отводами обмотки. Данный способ регулирования напряжения является наиболее экономичным, так как при регулировании на всех ступенях сохраняется наиболее высокий коэффициент мощности. Принцип действия выпрямителя, в котором реализуется данный способ, иллюстрирует рис. 2.6.
Рис. 2.6. Структурная схема регулируемого выпрямителя, использующего автотрансформатор с отводами обмотки
3 Регулирование напряжения с помощью управляемых вентилей (тиристоров) может быть осуществлено несколькими способами: путем изменения параметров вентилей, входящих непосредственно в выпрямитель; изменением параметров вентилей, включенных в первичную обмотку трансформатора (фазовое регулирование на стороне переменного тока); изменением ширины импульсов (широтно-импульсное регулирование на стороне постоянного тока).
На рис. 2.7 показана структура выпрямителя, в котором выходное напряжение регулируется за счет изменения параметров вентилей, входящих непосредственно в выпрямитель.
Рис. 2.7. Структурная схема регулируемого выпрямителя с управляемыми вентилямиГенератор импульсов вырабатывает импульсы, которые подаются на управляющие электроды тиристоров регулируемого вентильного блока. Управляющие импульсы синхронизируются с изменением сетевого напряжения и сдвинуты с помощью фазосдвигающего устройства относительно нулевых значений напряжения вторичной обмотки на некоторый угол α. Изменяя фазовый угол α, например, с помощью потенциометра, можно управлять моментами перехода вентилей в проводящее состояние, то есть режимами работы силовой части выпрямителя.
2.4 Стабилизаторы напряжения. Параметрические стабилизаторы
Виды стабилизаторов и их основные характеристики
Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение (ток) на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.
По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.
Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.
Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке (рис. 2.8), измерительный элемент и преобразующее устройство. В измерительном элементе происходит сравнение выходного напряжения с опорным и вырабатывается сигнал ошибки. В преобразующем устройстве сигнал ошибки усиливается и преобразуется в управляющий сигнал для регулирующего элемента. Под действием этого управляющего сигнала изменяется внутреннее состояние регулирующего элемента так, чтобы поддерживать выходное напряжение стабильным.
Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.