Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП

 

Пр – предохранители;

ГПП – гаситель переходных процессов;

Ф – фильтры;

С – стабилизаторы;

СТ – силовой трансформатор;

БВ – блок выпрямления;

Н – нагрузка.

Рисунок 2.3 – Обобщенная структурная схема линейного источника питания

 

Основными элементами устройства являются: силовой трансформа-тор, блок выпрямления, фильтр низкой частоты Ф2 и стабилизатор посто-янного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают харак-теристики источника питания (ИП) и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы вышеприведенной структуры.

Гаситель переходных процессов (ГПП) – это устройство, которое проводит ток как только напряжение на его выходах превосходит опреде-ленный предел. Фильтр Ф1 и ГПП довольно успешно противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока. Практика показывает, что в сетях 110 и 220 В 50 Гц возможны кратковременные выбросы напряжения до 1 – 5 кВ. Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных ИП используется редко. Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. В большинстве ИП используют один или несколько силовых трансформаторов (СТ). СТ в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой.

Предохранители (Пр) защищают ИП и подключенную к нему нагрузку от сильных токов, появление которых возможно при выходе из строя как самого ИП, так и нагрузки. В качестве предохранителей используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые) [23, 30, 31].

Рассмотрим структуру импульсного источника питания. Несмотря на большое разнообразие схем импульсных источников питания, все они разделяются по способу управления регулирующим элементом на две группы: ИП с широтно-импульсной (или частотной модуляцией) и ИП с релейным управлением регулирующим элементом.

Принцип действия ИП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) заключается в следующем (рисунок 2.4).

 

 

 

В – выпрямитель;

Ф – низкочастотный сглаживающий фильтр;

РЭ – регулирующий элемент;

ФВН – формирователь выходного напряжения;

МУ – модулирующее устройство;

УПТ – усилитель постоянного тока;

ИОН – источник опорного напряжения.

Рисунок 2.4 – Импульсный источник питания с ШИМ

 

Выпрямление напряжения питающей сети переменного тока сглаживается фильтром низкой частоты и передается в формирователь выходного напряжения через электронный ключ (регулирующий элемент), в качестве которого в подавляющем большинстве случаев используется транзистор.

Выходное напряжение зависит от энергии, передаваемой в ФВН в единицу времени и нагрузки ИП. Регулирующий элемент осуществляет управление процессом передачи энергии от питающей сети к ФВН. Выходное напряжение Uвых сравнивается с опорным напряжением Uоп и сигнал разности ΔU=Uвых-Uоп через УПТ поступает на модулирующее устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в импульсы с различной длительностью и постоянным периодом. Длительность импульсов управляющего напряжения Uупр функционально связана с разностью напряжений ΔU. С МУ сигнал поступает на РЭ, который периодически переключается. Таким образом, выходное напряжение ИП зависит, при неизменном периоде, от длительности управляющих импульсов [22, 29].

Существуют источники вторичного электропитания, использующие электроэнергию, получаемую от системы энергоснабжения и источники, использующие электроэнергию автономного источника постоянного тока. Рассмотрим источники первого типа.

К простейшим ИВЭ данного типа относятся нерегулируемые выпрямители, которые предназначены для питания нагрузок постоянного тока Rн от промышленных или специальных сетей переменного тока (рисунок 2.5).

 

 

 

 

Рисунок 2.5 – Структурная схема нерегулируемого выпрямителя

 

По числу фаз питающей сети все выпрямители разделяются на однофазные и трехфазные. Частота питающего напряжения определяется типом первичного источника электрической энергии.

Нерегулируемые выпрямители являются нестабилизирующими функциональными узлами вторичного электропитания – напряжение на их выходе пропорционально напряжению питания и существенным образом зависит от тока нагрузки.

Несмотря на эти недостатки, нерегулируемые выпрямители продолжают оставаться одним из наиболее распространенных функциональных узлов, так как подавляющая часть, цепей питания любой радиоэлектронной аппаратуры потребляет электрическую энергию в виде энергии постоянного тока, а наиболее доступным из первичных источников энергии является промышленная электрическая сеть переменного тока частотой 50 Гц. Такие устройства широко используются в промышленной и бытовой радиоэлектронике и сравнительно просто позволяют обеспечить получение любого необходимого напряжения на нагрузке путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора (изменением числа витков его обмоток). Одновременно силовой трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию цепи нагрузки выпрямителя от первичной сети, что в ряде случаев является обязательным для нормального функционирования радиоэлектронной аппаратуры.

В простейших радиоэлектронных устройствах нерегулируемые выпрямители выполняют роль централизованных ИВЭ. В этом случае от одного такого выпрямителя осуществляется питание нескольких, как правило электрически изолированных от питающей сети, нагрузок. В более сложных радиоэлектронных устройствах каждый функциональный узел питается от своего выпрямителя, подключенного к одной из вторичных обмоток единого силового трансформатора.

В тех случаях, когда для функционирования радиоэлектронной аппаратуры необходимо обеспечить более высокую стабильность пита-ющих напряжений по сравнению со стабильностью напряжений первичной сети, схемы выпрямителей существенно усложняются. Для стабилизации выходного напряжения нерегулируемого выпрямителя используют допол-нительные стабилизирующие устройства, включаемые на входе или  выходе выпрямителя (рисунок 2.6). На рисунке 2.6 а) под РН понимается регулятор (стабилизатор) переменного напряжения (тиристорный или дроссельный); на рис. 2.6 б) роль стабилизатора С играет непрерывный или импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока [14, 20, 32].

 

 

 

 

 

           а)

          б)

Рисунок 2.6 – Стабилизирующие выпрямители со стабилизатором на стороне переменного а) и постоянного тока б)

 

Непрерывные стабилизаторы напряжения, включенные на выходе  нерегулируемого выпрямителя, кроме функции стабилизации выходного напряжения последнего, обеспечивают также эффективное сглаживание пульсаций этого напряжения. Для этой цели на выходе нерегулируемого выпрямителя используют реактивные фильтры; емкостные (фильтры С-тнпа), Г-образные (фильтра LС-типа), П-образные (фильтры СLС-типа). Значительно реже применяют многозвенные фильтры, представляющие собой различные комбинации из перечисленных выше фильтров. В некоторых специальных случаях для сглаживания пульсаций на выходе современных ИВЭ пользуются активными полупроводниковыми Фильтрами.

Функции преобразования переменного тока в постоянный с регулированием (стабилизацией) выходного напряжения за счет изменения его формы совмещены в регулируемых выпрямителях. В таких устройствах регулирование выходного напряжения осуществляется в результате изменения угла открывания силовых тиристоров под действием маломощного сигнала управления. В режиме стабилизации выходного напряжения выпрямителя управляющий сигнал подается с выхода таким образом, чтобы при изменении выходного напряжения возникала соответствующая компенсирующая реакция в контуре автоматического регулирования.

В последнее время в связи с необходимостью резкого уменьшения массы и габаритов ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры широкое распространение на практике получили устройства с бестрансформа-торным входом. Здесь переменное напряжение системы электроснабжения (например, однофазное напряжение 220 В, 50 Гц) преобразуется бестранс-форматорным выпрямителем в сравнительно высокое напряжение посто-янного, тока (около 300 В). На выходе фильтра включается импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, который, во-первых, понижает напряжение до 100 – 150 В, а во-вторых, осуществляет стабилизацию выходного напряжения источника питания.

К выходу стабилизатора подключен инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму. Для уменьшения массы и габаритов источников вторичного электропитания данного вида и импульсный стабилизатор, и инвертор работают при повышенных частотах преобразования (10 – 20 кГц), а высокочастотный инверторный трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию цепи нагрузки от питающей сети. С выхода высокочастотного инвертора напряжение через выходные выпрямители с емкостными фильтрами поступает в нагрузку.  Наряду с потреблением энергии постоянного тока (анодные и сеточные цепи электронных ламп, полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, реле и механические переключатели, цепи управления магнитных усилителей и т. п.) радиоэлектронная аппаратура потребляет также электрическую энергию переменного тока.

К потребителям энергии переменного тока относятся цепи накала электронных ламп, магнитные усилители, цепи сигнализации и блокировки, электродвигатели и другие электромеханические устройства автоматики. Значительная часть этих потребителей требует стабильных по значению и частоте переменных напряжений, причем их частота может существенно отличаться от частоты напряжения в первичной сети. Последнее обусловлено необходимостью уменьшения массы и габаритов электромеханических устройств радиоэлектронных систем за счет значительного повышения частоты питающих напряжений переменного тока.

Для питания нагрузок переменного тока в современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры широко применяют устройства с промежуточным преобразованием переменного тока в постоянный с последующим его инвертированием [11, 12].

Теперь рассмотрим источники электропитания второго типа.

В современной технике, широкое практическое распространение получили автономные первичные источники электрической энергии постоянного тока. К ним относятся аккумуляторные и солнечные батареи, термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи, топливные элементы, ядерные источники и т. п.

Использование таких источников электрической энергии позволяет выполнять радиоэлектронную аппаратуру переносной, устанавливать ее на различных подвижных автономных объектах, удаленных от промышленных энергетических сетей. Бурное развитие этого направления в области питания радиоэлектронной аппаратуры вызвано в первую очередь успехами в освоении космического пространства.

К основным специфическим требованиям, предъявляемым к ИВЭ рассматриваемого вида, относятся следующие:

1) масса и габариты должны быть по возможности наименьшими,, что обусловлено спецификой исполнения автономной радиоэлектронной аппаратуры;

2) коэффициент полезного действия таких ИВЭ должен быть по возможности максимальным, так как ухудшение  экономичности и увеличение потребляемой мощности при ограниченной мощности автономного первичного источника электрической энергии приводят к резкому увеличению массы и габаритов последнего, а следовательно, к ухудшению эксплуатационных характеристик автономной радиоэлектрон-ной аппаратуры;

3) надежность ИВЭ должна быть максимальной. В условиях удаленности от промышленных центров, сложности (а подчас и невозможности) проведения  ремонтно-профилактических и восстано-вительных работ это требование приобретает исключительно важное значение.

Характерной особенностью работы ИВЭ данного типа является большая относительная суммарная нестабильность напряжения первичного источника, которая достигает значения ± 20 – 30%. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры могут существенно изменяться условия работы первичного источника, например степень освещенности поверхности солнечной батареи. К большой нестабильности питающего напряжения приводит также длительный разряд аккумуляторной батареи, имеющей ограниченную энергоемкость, или ее работа в режиме периодического глубокого заряда-разряда.

В то же время современная малогабаритная автономная радиоэлектронная аппаратура, выполняемая, как правило, на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, предъявляет весьма жесткие требования к стабильности питающих напряжений. В большинстве практических случаев допустимая относительная суммарная нестабильность не должна превышать ± 3-5%, а в ряде случаев – 0,1-1,0%.

Основным функциональным узлом ИВЭ, использующих электроэнергию автономного источника постоянного тока, является полупроводниковый инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока источника в переменные напряжения прямоугольной или ступенчатой формы и заданного значения. Силовой трансформатор такого инвертора обеспечивает электрическую изоляцию выходных цепей, друг от друга и от первичного источника [11, 12, 27].

На рисунке 2.7 а) приведена функциональная схема простейшего одноканального ИВЭ данного типа, предназначенного для питания нагрузки постоянным током. Здесь переменное напряжение прямоугольной формы с выхода инвертора «И» преобразуется выпрямителем «В» и фильтром «Ф» в напряжение постоянного тока, которое затем используется для питания радиоэлектронного устройства.

     а)

б)

С – непрерывный стабилизатор;

ИС – импульсный стабилизатор;

СУ – стабилизирующее устройство;