Импульсные источники напряжения (электропитания.)

Импульсные, или ключевые, источники напряжения в настоящее время получили весьма широкое распространение, не меньшее, чем ранее рассмотренные выпрямители и стабилизаторы напряжения. Улучшение массогабаритных параметров импульсных источников напряжения связано с тем, что из схемы исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор, габариты и масса которого намного меньше.

Упрощенная структурная схема импульсного источника напряжения приведена на рис. 12.16.

Рис. 12.16. Упрощенная структурная схема импульсного источника

             Напряжения

Импульсный источник напряжения состоит из четырех основных блоков:

· сетевого выпрямителя с емкостным фильтром;

· высокочастотного инвертора выпрямленного напряжения сети;

· устройства управления высокочастотным инвертором (обычно это специализированная микросхема управления);

· выходного высокочастотного выпрямителя с емкостным фильтром.

Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно образуют импульсный преобразователь.

Импульсный источник напряжения работает следующим образом. Синусоидальное напряжение сети (220 В, 50 Гц) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющий достаточно большую емкость. Большая емкость этого конденсатора обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает время удержания выходного напряжения в случае отключения. При напряжении сети 220 В напряжение на емкости составляет примерно 300 В.

Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения обычно лежит в пределах от 20 до 200 кГц.

С выхода импульсного преобразователя напряжение поступает на высокочастотный выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром.

В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспе-чивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. Широтно-импульсное регулирование выполняет схема управления, на вход которой поступает выходное напряжение источника (рис. 12.16).

Достоинства импульсных источников напряжения.

· Высокий коэффициент полезного действия.

· Малые габариты и вес.

· Высокая удельная мощность.

Все перечисленные достоинства импульсных источников напряжения получены благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов – транзисторов. Так при полностью открытом транзисторе напряжение на нем близко к нулю, а при полностью закрытом транзисторе в нем нет тока. В результате мощность, рассеиваемая транзистором незначительна.

Недостатки импульсных источников напряжения.

· Сложность схемы импульсных источников напряжения.

· Наличие высокочастотных шумов и помех.

· Увеличенные пульсации выходного напряжения.

· Значительное время выхода на рабочий режим.

12.8 Регулируемые выпрямители.

Регулирование выходного напряжения выпрямителя может выполняться различными способами. В настоящее время наиболее широко используется способ регулирования выходного напряжения выпрямителя при помощи управляемых вентилей – тиристоров.

Структура однополупериодного регулируемого выпрямителя приведена на рис. 12.17а.

Принципиальным отличием этой схемы от аналогичной схемы нерегулируемого выпрямителя (рис. 12.1) является включение в нее управляемого вентиля VS 1 (тринистора) и устройства управления УУ. Временные диаграммы работы такого выпрямителя приведены на рис. 12.17б.

Задающее воздействие f _зад на вход УУ определяет величину выходного

Рис. 12.17. Структура и временные диаграммы однополупериодного

          регулируемого выпрямителя.

напряжения выпрямителя. УУ формирует управляющие импульсы в моменты α, 2π+ α, 4π+ α и так далее, и отпирает в эти моменты времени тиристор VS 1. После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому выключение тиристора произойдет, когда напряжение на его аноде станет равным нулю. В результате выходное напряжение U_d уменьшается за счет отсекания части положительной полуволны синусоиды (рис. 12.17б). Очевидно, что момент включения тиристора можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения u ₂, то есть 0≤ α ≤ π. При этом если тиристор включается при α=0°, то напряжение U_d на выходе выпрямителя будет максимальным, а если α=180°, то напряжение U_d =0. Такой способ управления тиристором называется фазоимпульсным.

В приведенной схеме регулируемого выпрямителя пульсации выпрямленного напряжения достаточно большие, и для их снижения необходимо включать сглаживающий фильтр (на схеме не показан). При этом для сглаживания пульсаций емкостной фильтр применять нельзя, так как заряд конденсатора через резко открывшийся тиристор сопровождается большим броском тока, который может вывести тиристор из строя. Поэтому в тиристорных регулируемых выпрямителях применяют Г-образные LC-фильтры, чтобы перед конденсатором стояла индуктивность L.

Схема двухполупериодного регулируемого выпрямителя с нулевой точкой на двух тиристорах VS 1 и VS 2 с индуктивно-емкостным фильтром приведена на рис. 12.18.

Рис. 12.18. Схема двухполупериодного регулируемого выпрямителя с

            нулевой точкой

Кроме двух тиристоров VS 1 и VS 2 в схему включен блокировочный диод VD 1, который обеспечивает выключение тиристоров VS 1 и VS 2 при снижении напряжения на их анодах до нуля.

При отсутствии блокировочного диода VD 1 возникновение ЭДС самоиндукции L _ф не дает тиристорам VS 1 и VS 2 закрыться вовремя, и часть отрицательной полуволны синусоиды проходит на вход фильтра, что снижает напряжение и сужает диапазон регулирования выходного напряжения (рис. 12.19).

Рис. 12.19. Диаграммы работы двухполупериодного регулируемого

            выпрямителя с нулевой точкой.

При работе с блокировочным диодом VD 1 тиристоры VS 1 и VS 2 выключаются, когда напряжение на аноде становится равным нулю, так как ток от ЭДС самоиндукции L _ф замыкается через VD 1 и R _н, и напряжение на катодах тиристоров не меняет полярности (рис. 12.19). Угол включения тиристоров в схеме с блокировочным диодом VD 1 можно регулировать от 0 до π.

Мостовые схемы двухполупериодных регулируемых выпрямителей приведены на рис. 12.20.

Рис. 12.20. Мостовые схемы двухполупериодных регулируемых

            выпрямителей.

В схеме на рис. 12.20а тиристоры VS 1 и VS 2 включаются через угол, равный π. При включении тиристора VS 1 одновременно включается диод VD 2, а при включении тиристора VS 2 включается диод VD 1. Блокировочный диод VD 3 выполняет те же функции, что и в схеме с нулевой точкой.

В схеме на рис. 12.20б при включении тиристора VS 1 одновременно включается диод VD 2, а при включении тиристора VS 2 включается диод VD 1. Блокировочный диод в этой схеме не нужен, так как его функции выполняют диоды VD 1 и VD 2. В остальном процессы процессы протекают так же, как в двухполупериодном регулируемом выпрямителе с нулевой точкой.