Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ-колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.
Структурная схема сетевого ИП, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Структурная схема источника питания
Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей — в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения.
Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ-преобразователя.
Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ-трансформатор. Здесь ВЧ-преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ-усилитель мощности, ВЧ-трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 2.2, одновременно осуществляет две функции — преобразование и стабилизацию напряжения.
Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления — это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке.
По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.
Наличие ШИМ-передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.
На схеме, показанной на рис. 2.2, представлена структура одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков. В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе.
Подстройка напряжения по неосновным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации БП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.
Прежде чем перейти к обсуждению практических схем источников питания, рассмотрим несколько возможных вариантов построения отдельных функциональных узлов импульсных источников питания. Это позволит лучше понять, почему при проектировании реальных схем предпочтение отдается тому или иному схемотехническому решению.
2.1. Автогенераторные каскады ВЧ-преобразователей
Как видно из рисунков структурных схем ИБП (см. рис. 2.1 и 2.2), основным узлом, обязательно входящим в состав каждого подобного источника питания, является ВЧ-преобразователь. Его назначение состоит в формировании на обмотке трансформатора из выпрямленного напряжения первичной сети импульсного напряжения требуемой формы.
Вид получаемого импульсного напряжения определяется типом используемого трансформатора, с помощью которого происходит передача энергии в нагрузку и обеспечивается гальваническая развязка от источника первичного напряжения.
Группа элементов формирователя напряжения специальной формы вместе с трансформатором и составляют ВЧ-преобразователь.
Его параметры и надежность работы являются определяющим фактором функционирования источника при подаче напряжения питания «U» на элементы схемы.
Пример силового каскада, выполненного по автогенераторной схеме, представлен на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Электрическая схема силового каскада
Каскад выполнен на транзисторе по схеме релаксационного импульсного генератора. Схема содержит один трансформатор TV, на котором размещены все обмотки. Входное напряжение питания U поступает на коллектор транзистора VT через первичную обмотку W1 трансформатора TV. Сигнал обратной связи подается на базу транзистора VT с обмотки W3. Начало каждой обмотки обозначено точкой. Ко вторичной обмотке W2 последовательно подключены выпрямительный диод VD, конденсатор С и условная нагрузка RH.
Важной особенностью выполнения однотактных преобразователей является способ подключения выпрямительного диода во вторичной цепи. Способ подключения диода, согласно рис. 2.3, называется обратным, так как диод VD открывается при закрытом транзисторе VT и закрывается при открывании транзистора VT.
Работа всех ИБП основана на том же принципе преобразования энергии, а схемотехнические решения различаются способами подключения ВЧ-трансформаторов к активной части преобразователей и методами стабилизации выходного напряжения.
В книге рассмотрены преобразователи напряжения первичной сети 220 В, 50 Гц с номинальной мощностью до 1100 Вт, поэтому особое внимание при описании ВЧ-преобразователей уделено применению высоковольтных активных компонентов — транзисторов и диодов, — элементов для фильтрации выпрямленного напряжения, а также критериям их подбора для использования в импульсных источниках питания.
В современных ИБП применяются два основных типа ВЧ-преобразователей — одно— и двухтактные.
Оба типа используются как в схемах с автогенератором на силовых элементах (транзисторах), так и в схемах с внешним управлением. Во втором случае силовые активные элементы работают в режиме усилителей мощности.
Другим фактором, оказывающим большое влияние на работу преобразователя, являются инерционные свойства диодов, установленных в выпрямителе вторичной цепи. О вторичных цепях и их схемотехнике применительно к ИИП мы говорили в нескольких разделах первой главы.
Эти свойства характеризуются временем рассасывания избыточных носителей заряда и временем восстановления обратного сопротивления. У диодов, используемых в выпрямителях импульсных преобразователей, значения этих параметров должны иметь минимальную величину (порядка нескольких наносекунд).
Такими параметрами могут обладать высокочастотные или импульсные безынерционные диоды. В рабочем режиме диоды выпрямителя находятся в открытом состоянии попеременно. В момент переключения оба диода на некоторое время * ПРОПУСК текста*.
Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра обратно пропорциональна длительности фронта импульса t.
Следовательно, уменьшая эту величину при заданном уровне пульсаций, получим возможность применять конденсаторы меньшей емкости, снизить массу и габариты источника питания.
Одним из способов повышения эффективности этого параметра является применение в схеме автогенератора с насыщающимся трансформатором единого базового резистора Rfc.
Вариант схемы автогенератора с таким резистором представлен на рис. 2.4.
2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП
Основные положения по структуре каскадов, схемам включения силовых активных и индуктивных элементов справедливы и для частных случаев их использования в качестве усилителей мощности, то есть основных узлов для преобразователей напряжения с внешним управлением.
Рис. 2.4. Вариант схемы автогенератора
В заключение рассмотрим схему полумостового усилителя, широко применяющегося в импульсных источниках питания мощностью до 800 Вт.
Упрощенная схема полумостового усилителя мощности представлена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Упрощенная схема полумостового усилителя мощности
На рис. 2.6 представлены два силовых транзистора VT1 иУТ2 и два конденсатора С1 и С2, образующих мостовую схему. Собственно, такую схему принято называть транзисторной.
