Глава 13 источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом

13.1 Общие сведения об источниках электропитания

Применение аппаратуры связи, выполненной на интегральных элементах, привело к значительной диспропорции между массой и объёмом аппаратуры связи и массой и объёмом источников питания (70 %). Применение интегральных микросхем расширило функциональные возможности аппаратуры связи, но при этом возросли требования к выходным параметрам и удельным характеристикам вторичных источников питания. Изменились номиналы напряжений для питания интегральных микросхем.

Применение вторичного источника, построенного по типовой схеме преобразования (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор непрерывного регулирования) не возможно, так как габариты, вес получаются значительными, а коэффициент полезного действия низкий.

13.2 Стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения

Качественная работа аппаратуры связи определяется стабильностью напряжения источника питания. Преобразователи при изменении выходного напряжения должны выровнять напряжение на нагрузке.

Стабилизирующими преобразователями называют устройства, создающие на выходе постоянное напряжение с допустимой точностью для данной аппаратуры связи.

Напряжение можно стабилизировать разными способами:

1) общий стабилизатор устанавливают на входе преобразователя. Применяется при небольшой мощности до 2 Вт, КПД низкий;

2) централизованный вольтодобавочный стабилизатор на входе преобразователя. Применяется при мощности до 10 Вт;

3) регулируемый преобразователь с централизованной стабилизацией всех напряжений. Применяется наиболее широко при импульсном способе регулирования;

4) децентрализованный способ стабилизации каждого напряжения на выходе преобразователя. Применяется редко, так как КПД получается низким.

13.3 Структурные схемы источников вторичного питания для аппаратуры связи, выполненной на интегральных микросхемах, со стабилизацией выходного напряжения

Рисунок 13.1 – Структурная схема ИВЭ с БВХ № 1

(стабилизатор на выходе преобразователя)

ВС – выпрямитель переменного тока напряжения сети питания;

СФС – сглаживающий фильтр низкой частоты;

ПР – преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока высокой частоты;

ВВ – выпрямитель переменного тока высокой частоты;

СФВ – сглаживающий фильтр тока высокой частоты;

СТи – импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока.

Принцип действия источника питания основан на двойном преобразовании переменного тока, поступающего из сети питания в напряжение постоянного тока.

Выпрямитель сети питания преобразует переменный ток в пульсирующий ток.

Сглаживающий фильтр низких частот уменьшает пульсации тока до допустимой величины. С помощью преобразователя напряжение постоянного тока преобразуется в переменный ток вы­сокой частоты. Высокочастотный выпрямитель преобразует ток высокой частоты в пульсирующий ток. Сглаживающий фильтр высокой частоты уменьшает пульсации тока до допустимой величины. Полученное напряжение выравнивается импульсным стабилиза­тором и подаётся к нагрузке.

Достоинства: малые габариты и вес, высокая надёжность работы, высокий КПД.

Недостатки: сложная схема, возникновение помех, высокая стоимость.

Применяется при небольшой и средней мощности, небольших токах и высоком напряжении питания аппаратуры связи.

Рисунок 13.2 – Структурная схема ИВЭ с БВХ № 2

(стабилизатор на входе преобразователя)

Принцип действия источника питания основан на двойном преобразовании переменного тока, поступающего из сети питания в напряжение постоянного тока.

Выпрямитель сети питания преобразует переменный ток в пульсирующий ток.

Сглаживающий фильтр низких частот уменьшает пульсации тока до допустимой величины. С помощью импульсного стабилизатора (РЭ, ИЭ, УПТ, ШИМ) поддерживается неизменным по величине напряжение на входе преобразователя. Преобразователь напряжение постоянного тока преобразует в переменный ток высокой частоты. Высокочастотный выпрямитель преобразует ток высокой частоты в пульсирующий ток. Сглаживающий фильтр высокой частоты уменьшает пульсации тока до допустимой величины. Напряжение с выхода подаётся на измерительный элемент, где сравнивается с напряжением опорного напряжения, образуется сигнал ошибки. С целью расширения пределов регулирования сигнал ошибки усиливается усилителем постоянного тока. Усиленный сигнал подаётся на широтно-импульсный модулятор, где происходит преобразование сигнала в последовательность импульсов, управляющих работой преобразователя. Полученное напряжение выравнивается импульсным стабилизатором, на входе преобразователя и на нагрузке напряжение остаётся постоянным по величине.

Достоинства: малые габариты и вес, высокая надёжность работы, высокий КПД.

Недостатки: сложная схема, возникновение помех, высокая стоимость.

Применяется при небольшой и средней мощности, больших токах и низком напряжении питания аппаратуры связи.

Рисунок 13.3 – Структурная схема ИВЭ с БВХ № 3

(регулируемый преобразователь)

Принцип действия источника питания основан на двойном преобразовании переменного тока, поступающего из сети питания в напряжение постоянного тока.

Работа схемы аналогична рассмотренной ранее схеме, но функ­ции регулирующего элемента выполняет преобразователь.

13.4 Принципиальная схема источника вторичного электропитания с бестрансформаторным входом

Источник электропитания предназначен для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, а также стабилизации напряжения с допустимой точностью.

Принцип действия основан на двойном преобразовании тока.

Рисунок 13.4 – Схема источника питания с бестрансформаторным входом

Диоды VD1–VD4 – выпрямительный мост, преобразует переменный ток в пульсирующий ток.

Конденсатор С1 – уменьшает пульсации тока до допустимой величины.

Транзистор VT1 – регулирующий элемент импульсного стабилизатора.

Диод VD4 – коммутирует ток, если VT1 закрыт.

Сглаживающий фильтр L1 C2 – уменьшает пульсации тока.

ШИМ – широтно-импульсный модулятор – вырабатывает импульсы управления VT1.

ЗГ – задающий генератор – вырабатывает импульсы стабильной частоты.

Транзисторы VT2, VT3 – прерыватели тока.

Резисторы R1, R2 – ограничивают ток базы транзисторов.

Трансформатор Т1 преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, обеспечивает электрическую развязку цепей.

Диоды VD5, VD6 – выпрямляют ток высокой частоты.

Сглаживающий фильтр С3, L2, С4 – уменьшает пульсации тока.

Схема сравнения СС – сравнивает напряжение на нагрузке с напряжением опорным и вырабатывает сигнал ошибки.

При включении питания источник вторичного электропитания начинает функционировать.

Переменный ток из сети питания подаётся на выпрямительные диоды. В положительную полуволну ток проходит через диоды VD1, VD3, в отрицательную полуволну ток проходит через диоды VD2, VD4 и происходит заряд конденсатора С1.

Задающий генератор вырабатывает импульсы, включающие транзисторы. Транзистор VT1 включается и выключается на частоте выше 20 кГц.

Происходит насыщение дросселя L1 и заряд конденсатора С2. Транзисторы VT2 и VT2 включаются поочерёдно и преобразуют постоянный ток в переменный ток высокой частоты. Трансформатор преобразует напряжение одной величины в напряжение другой величины. Диоды VD6, VD7 преобразуют переменный ток высокой частоты в пульсирующий ток. Сглаживающий фильтр С3, L2, С4 сглаживает пульсации тока до допустимой величины. На нагрузке возникает необходимое напряжение.

При изменении напряжения стабилизатор выравнивает напряжение на нагрузке. Изменяется время насыщенного состояния транзистора VT1. Сравнивающее устройство сравнивает напряжение на нагрузке с опорным напряжением и вырабатывает сигнал ошибки, который подаётся на широтно-импульсный модулятор. Транзистор VT1 включается раньше, а выключается позже, если напряжение на нагрузке уменьшилось. Среднее значение тока возрастает, и напряжение на нагрузке выравнивается. Диод VD4 обеспечивает коммутацию тока в моменты времени, когда транзистор VT1 закрыт.

Достоинства: высокий КПД, малый вес и габариты устройства, можно обеспечить стабилизацией несколько выходных напряжений.

Недостатки: возникновение помех при преобразовании, усложнение схемы.

Применяется для питания аппаратуры, выполненной на интегральных микросхемах.

ЗАПОМНИТЕ

В источнике питания с бестрансформаторным входом производится двойное преобразование энергии. Преобразование энергии производится на высокой частоте, что даёт возможность уменьшить габариты и вес источника.

В источнике возникают помехи, влияющие на качество связи, поэтому необходимо на входе и выходе источника поставить фильтры.

Темы докладов и рефератов

1. Сравнительная оценка технических и экономических показателей источников питания с бестрансформаторным входом.

2. Источник питания с регулирующим преобразователем.

3. Дроссель для источника питания с бестрансформаторным входом.

4. Схема источника со стабилизатором и синхронным элементом.

5. Микросхемы для преобразователей источника с бестрансформа­торным входом.

Контрольные вопросы

1. Почему для питания аппаратуры связи, выполненной на интегральных микросхемах, применяют источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом?

2. Какие устройства называются стабилизирующими преобразователями?

3. Поясните способы регулирования в стабилизирующих преобразователях.

4. Нарисуйте структурную схему источника вторичного электро­питания с бестрансформаторным входом и поясните назначение элементов схемы.

5. Поясните работу схемы источника питания с бестрансформаторным входом.

6. С какой целью на входе и выходе источника питания устанав­ливают фильтры?

7. Почему преобразование энергии в источнике питания производится на высокой частоте?