Общие сведения об источниках вторичного питания

1.1 Источники вторичного электропитания (ВИП) в информационно-измерительной технике. Первичные источники электрической энергии.

ВИП—преобразователи вида электрической энергии, выполняющие преобразования исходя из требований, предъявляемых к источнику питания конкретного электрического или электронного устройства. С их помощью энергия переменного напряжения электрической сети преобразуется в постоянные напряжения требуемого уровня. Более редко встречаются источники вторичного электропитания, обеспечивающие получение требуемого значения электрического тока. Мощность ВИП, используемых в маломощных электрических устройствах и установках ИИТ, как правило, не превышает нескольких сотен - тысяч ватт. Опыт эксплуатации электронных устройств различного назначения показал, что одним из наиболее часто встречающихся дефектов является выход из строя функциональных узлов ВИП. Это обусловлено тем, что работающие в их составе компоненты электроники находятся в тяжелых условиях, так как их электромагнитные и тепловые нагрузки во многих случаях доведены до физических пределов. Простейшие структуры ВИП, состоящие из сочетания сетевого трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора непрерывного действия, все больше вытесняются сложными преобразованными устройствами, работающими на частотах в десятки - сотни кГц. При этом обеспечивается получение рекордно малых массогабаритных показателей, но появляется значительное количество своих специфических проблем.

Питание электрической энергией устройств измерительной техники, электроники редко удается осуществить от первичного источника электроэнергии. Это обусловлено тем, что стандартная электрическая сеть или автономный первичный источник электрической энергии непригодны для питания электронных устройств из-за несоответствия требованиям по величине напряжения, его стабильности, форме и частоте.

1.2 Классификация ВИП и их общая характеристика

Классификацию ВИП можно выполнить по различным признакам: принципу действия, назначению, количеству каналов выходного напряжения, виду используемых первичных источников и др.

В зависимости от вида первичного источника электропитания ВИП можно разделить на две группы: инверторные и конверторные.

Инверторные ВИП используются для преобразования напряжения переменного тока, т.е. они изменяют не только значение, но и род выходного напряжения. К инверторным ВИП относятся также преобразователи постоянного напряжения первичного источника в переменное напряжение, питающее нагрузку. Например, к инверторам можно отнести электронный генератор, который, преобразуя напряжение аккумулятора или гальванического элемента в переменное выходное напряжение, питает электродвигатель.

Конверторные ВИП используются для преобразования одного напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. Любой конвертор может содержать внутри себя инвертор и наоборот.

По принципу действия ВИП можно разделить на две группы: трансформаторные и бестрансформаторные. В трансформаторных ВИП напряжение переменного тока, например силовой сети, вначале изменяется по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется. В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более высокой частоты. В преобразователе может использоваться высокочастотный трансформатор, поэтому точнее эти источники называть несколько иначе: с трансформаторным или бестрансформаторным входом. Поскольку преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, то источники вторичного питания такого типа часто называют импульсными.

По количеству различных выходных напряжений ВИП можно разделить на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то это многоканальный источник вторичного электропитания с индивидуальной стабилизацией. Если же для стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называют главным или ведущим), то такие источники называются ВИП с групповой стабилизацией.

По выходной мощности ВИП принято делить на микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 Вт до 1 кВт) и мощные (> 1 кВт).

По типу питающей сети - на источники вторичного электропитания, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока, на ВИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока, и на ВИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока.

По напряжению на нагрузке - на источники низкого (до 100 В), среднего (от 100 до 1000 В) и высокого напряжения (свыше 1000 В).

По роду тока нагрузки - на ВИП с выходом на переменном (однофазном или трехфазном) токе и постоянном токе.

По характеру обратной связи - на параметрические, компенсационные и комбинированные.

По виду стабилизируемого параметра - стабилизаторы напряжения и стабилизаторы тока.

1.3 Общая характеристика основных функциональных узлов ВИЭП

ВИП представляют собой различные структурные совокупности функциональных узлов электроники, выполняющих различные виды преобразований электрической энергии, а именно:

выпрямление; фильтрацию; масштабирование (трансформацию); регулирование (с целью стабилизации определенного параметра); усиление сигналов; стабилизацию (с целью получения опорных сигналов); защиту.

Поэтому основными функциональными узлами ВИП различного назначения являются:

- выпрямительные устройства;

- фильтры;

- трансформаторы;

- инверторы;

- стабилизаторы;

- регуляторы определенного электрического параметра;

- вольтодобавочные или токодобавочные устройства;

- устройства защиты от перегрузок и аварийных режимов.

Выпрямительные устройства (В) - преобразовывают переменное напряжение любой формы в однополярное пульсирующие напряжение. В его состав входят один или несколько нелинейных элементов, соединенных в одну из известных схем выпрямления электрического сигнала.

Фильтр (Ф) – устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и защиты потребителя электроэнергии от помех, поступающих из первичной сети. Кроме сглаживающих фильтров, в состав многих ВИЭП входят составные помехоподавляющие фильтры. Их основное назначение - предотвращение проникновения электромагнитных сигналов, создаваемых ВИЭП, в сеть первичного источника электропитания. Фильтры выполняются на основе конденсаторов, дросселей и резисторов

Трансформаторы (Т) применяются для трансформации электрического напряжения и получения из напряжения одного значения группы напряжений, пропорциональных друг другу. В составе современных ВИЭП они работают как на частоте первичной электрической сети (50 Гц, 400 Гц), так и на ВЧ от нескольких сотен герц до сотен кГц. В качестве магнитопровода в них используются трансформаторное железо, пермаллои и ферриты. В последнее время предпочтение отдается аморфному железу. Трансформатор на сегодняшний день - единственное устройство, обеспечивающее гальваническую развязку потребителя от источника электрической энергии (при большом значении последней).

Инвертор (И) – статический преобразователь напряжения постоянного тока в переменный. Он выполняется на тиристорах, биполярных или полевых транзисторах, работающих в режиме ключа, управляемого внешним сигналом.

Стабилизатор напряжения (СН) - устройство, поддерживающее неизменным напряжение постоянного или переменного тока при воздействии на ВИЭП различных возмущающих факторов.

Стабилизатор тока (СТ) - выполняет ту же функцию, что СН, только применительно к электрическому току.

Регулятор напряжения (РН) (тока РТ) – устройство, изменяющее напряжение (ток) на нагрузке по требуемому закону в заданном диапазоне регулирования.

Вольтодобавочное устройство (ВДУ) – дополнительный регулирующий источник напряжения постоянного или переменного тока. Его введение позволяет облегчить работу регулирующего элемента и управлять не всей электрической мощностью, а только ее частью, необходимой для выполнения операции регулирования напряжения в заданных пределах. Его питание может быть осуществлено как от основного сетевого первичного источника, так и от вспомогательного дополнительного. Аналогичную функцию, только применительно к электрическому току, выполняет токодобавочное устройство (ТДУ).

Во многих случаях в отдельных функциональных узлах ВИП обеспечивается совмещение в них нескольких функций. В результате упрощается принципиальная схема ВИП и улучшаются ее отдельные показатели.

1.4 Электрические структурные схемы источников вторичного электропитания (ВИЭП) с трансформаторным и бестрансформаторным входом

Структура ИВЭП зависит от типа первичного источника электрической энергии. Раньше применялись структуры ВИП с силовым трансформатором, установленным на их входе, в случаях, если источником питания была сеть переменного тока, легко решался вопрос получения требуемы Значений выходных напряжений и гальванической развязки их между собой, а также с сетью первичного источника электрического питания. Но есть недостатки, обусловленные большими массогабаритными показателями ВИП даже при малой мощности. При НЧ питающей сети (50 Гц, 400 Гц) масса силового трансформатора получалась большой и приходится применять сглаживающие фильтры. Массогабаритные и стоимостные показатели источников питания с бестрансформаторным входом существенного меньше, чем у ВИП с трансформаторным входом.

(а) структуры ВИП с трансформаторным и бестрансформаторным (б) входами

При трансформаторном входе (а) напряжение первичного источника (ИП) трансформируется с помощью трансформатора (Т) в напряжение требуемых номиналов, выпрямляется с помощью выпрямителя (В). Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются фильтром (Ф), а его величина стабилизируется стабилизатором напряжения (СН).

При бестрансформаторном входе (6) напряжение источника питания (ИП) выпрямляется с помощью выпрямителя (В1). Его пульсации уменьшается с помощью фильтра (Ф1). Полученное постоянное напряжение преобразуется в ВЧ-ое переменное напряжение с помощью инвертора (И). Оно трансформируется в нужные напряжения трансформатором (T). Массогабаритные показатели невелики, из-за ВЧ напряжения, подаваемого на его вход. ВЧ переменные напряжения выпрямляются выпрямителями (В2) и пульсации сглаживаются фильтрами (Ф2). Стабилизация напряжения в таких структурах осуществляется за счет: 1) использования управляемых выпрямителей (В1) или (В2), 2)обоих одновременно, 3) с помощью управления работой инвертора (И). Поэтому стабилизатор напряжения не показан в качестве самостоятельного блока. Стабилизаторы напряжения не всегда являются отдельными самостоятельными функциональными узлами. Они могут быть частью функционального узла, выполняющего и другие функции.

Поиск по сайту: