7.6. Структурные схемы вторичных источников питания с преобразователями напряжения

Как уже отмечалось, применение преобразователя напряжения во вторичных источниках питания (ВИП) позволяет получить не только ряд необходимых вторичных напряжений из одного первичного, но и повысить стабильность вторичных напряжений, в сравнении с первичными. Выходное напряжение существующих первичных источников электропитания в процессе эксплуатации меняется. У большинства из них колебания напряжения лежат в пределах ± (10+20)%. Допустимые колебания напряжения питания большинства радиоустройств почти на порядок меньше и равны ± (3+5) %, а для отдельных каскадов, наиболее чувствительных к изменению напряжения питания, и того меньше, - всего ± (0,1+0,5)%.

Отсюда следует необходимость стабилизации выходных напряжений ВИП. На рис. 7.15,а представлена структурная схема источника с централизованной стабилизацией выходных напряжений преобразователя. Здесь стабилизируется входное напряжение инвертора И с помощью входного стабилизатора BxCm.

На выходе выпрямителей преобразователя В₁ – В₁ получается вторичное напряжение, нестабильность которого допустима для большинства нагрузок. Фильтры выпрямителей ФВ₁ – ФВ₁ обеспечивают требуемую степень фильтрации выходных напряжений.

Если для некоторых нагрузок требуется напряжение питания с меньшей нестабильностью, чем та, которую обеспечивает входной стабилизатор ВхСm, то в соответствующую входную цепь включают дополнительный входной стабилизатор ВыхСm₂. На рис. 7.15,а такой дополнительный стабилизатор включен в цепь нагрузки, потребляющий ток I_и2, при напряжении U_и2.

Поскольку цепь обратной связи ЦОС получает сигнал ошибки со входа инвертора, то стабилизатор ВхСm поддерживает близким к эталонному напряжение на входе инвертора. Изменения тока нагрузки I_и2 или I_и2 будут приводить к колебаниям выходных напряжений U_и1 или U_и2 из-за возрастания (или убывания) падений напряжения на диодах выпрямителей и транзисторах инвертора, но стабилизатор ВхСm на эти изменения реагировать не будет. Конечно, имеется в виду, что выходное сопротивление самого стабилизатора очень мало.

Таким образом, в данной структурной схеме стабилизированного преобразователя не удается получить малые нестабильности по всем выходам. Помимо этого, в ней существует и некоторая завязка между всеми выходами из-за общих для них элементов схемы. Такими общими элементами, не охваченными обратной связью, являются инвертор, силовой трансформатор и выпрямителя со своими фильтрами. Поэтому выходной стабилизатор включают иногда и в ту выходную цепь, ток которой меняется сильно или имеет импульсивный характер. Иначе, на выходные напряжения всех остальных каналов, наложатся изменения, пропорциональные току этого канала.

Рис. 7.15. Структурные схемы источника с централизованной стабилизацией выходных напряжений преобразователя

При импульсном токе такие изменения имеют вид серий затухающих колебаний, порождаемые передними и задними фронтами импульсов.

В качестве входного стабилизатора можно применять как линейный, так и импульсный. В первом случае к.п.д. преобразователя будет ниже, но зато нет необходимости включать фильтры Ф₁ и Ф₂, защищающие первичную цепь и инвертор от импульсных помех, создающихся в ключевом стабилизаторе. Значительно лучше у линейного стабилизатора в сравнении с ключевым и качество переходного процесса.

В рассмотренной структурной схеме входной стабилизатор пропускает через себя суммарную мощность всех нагрузок преобразователя. Из-за этого он получается относительно громоздким.

Если входной стабилизатор построить по принципу вольтдобавки (7.15,б), то конструкция ВИП получится более компактной. Улучшение весовых и габаритных показателей, получающееся при переходе к схеме с вольтдобавкой, зависит от величины нестабильности напряжения первичного источника Е_п. Если это напряжение меняется в два раза, то мощность вольтдобавочного устройства практически сравнивается с мощностью, отдаваемой преобразователем в нагрузку.

В структурной схеме (7.15,а) вольтдобавочное напряжение Е_р создается в специальном регулирующем устройстве РУ. Это напряжение, складываясь с напряжением первичного источника Е_п, образует входное напряжение инвектора И.

Цепь обратной связи ЦОС регулирует величину вольтдобавочного напряжения таким образом, что напряжение, подводимое к инвектору, остается практически постоянным при колебаниях напряжения первичного источника Е_п..

Регулирующее устройство может быть запитано от первичного источника (линия 1). В этом случае оно является дополнительным регулируемым преобразователем. Если же регулирующее устройство запитывается от дополнительной обмотки трансформатора инвертора (штриховая линия 2), то оно должно быть регулируемым выпрямителем. В зависимости от выбора элементной базы лучшие показатели могут получиться как у той, так и у другой схем.

Возможна централизованная стабилизация выходного напряжения преобразователя и по структурной схеме рис. 7.15,е. В ней на цепь обратной связи ЦОС подается напряжение с одного из выходов (/-го). Регулируемый инвертор РИ под действием сигнала обратной связи изменяет свое выходное напряжение таким образом, что напряжение на выходе 1-го выпрямителя получается стабильным. Если дестабили­зирующим фактором является изменение - напряжения первичного источника, то и на остальных выходах оно получается ослабленным.

Однако при изменении только одного тока 1-го выхода во все остальные выходные напряжения вносится некоторая нестабильность. Допустим, что ток нагрузки 1-го выхода возрос. Чтобы скомпенсировать возросшие вместе с током падения напряжения на вентилях и фильтре выпрямителя 1-го выхода, напряжение, снимаемое с выхода инвертора, должно возрасти. Так оно и изменится под действием сигнала обратной связи. Но это приведет к соответствующему возрастанию выходных напряжений на всех остальных выпрямителях. С выхода выпрямителя В₁ -на нагрузку первого канала возрастание напряжения не передастся, так как сглаживается выходным стабилизатором СТ₁, а на нагрузку, подключенную к выходу 2, передастся.

Если основная часть выходного сопротивления преобразователя создается сопротивлением потерь инвертора и первичной обмотки силового трансформатора, то при таком способе регулировки напряжения па всех вторичных обмотках трансформатора будет получаться достаточно стабильное напряжение. При постоянном токе остальных каналов или при малом падении напряжения на их выпрямителях и фильтрах достаточную стабильность будут иметь и их выходные на­пряжения.

Таким образом, рассмотренная схема стабилизации уменьшает влияние на выходные напряжения всех каналов изменений напряжения на общих для этих каналов элементах (первичный источник Е_п, инвертор, первичная обмотка трансформатора) и переносит с регу­лируемого канала на все остальные изменения напряжения, получаю­щиеся на элементах, входящих только в регулируемый канал (выпрямитель и фильтр /-го канала). В зависимости от конкретного выбора элементов схемы преобразователя нестабильность выходных напряже­ний при введении такой схемы может как уменьшаться, так и увеличиваться.

Если преобразователь напряжения имеет только один выходной канал, то на цепь обратной связи всегда подается напряжение с выхода этого канала. Сама цепь обратной связи может управлять вход­ным стабилизатором, как это показано на рис. 7.15,а, регулируемым инвертором, как на рис. 7.15,б, вольтдобавочным устройством, как на рис. 7.15,г. В последнем случае существуют возможности выпол­нения вольтдобавочного устройства с выходом на постоянном токе и на переменном токе.

Если вольтдобавочное устройство (7.15,г), являясь дополнительным регулируемым инвертором, создает на своем выходе переменное напряжение, то это напряжение суммируется с выходным напряжением основного инвертора и подается на выпрямитель преоб­разователя. Соединения, соответствующие этому случаю, показаны на рис. 13.21, г линиями. Если же вольтдобавочное устройство является дополнительным регулируемым выпрямителем, то его включение в схему производится так, как показано, линиями 2. А если оно служит дополнительным преобразователем, то на его вход подается напряжение первичного источника Е_п, а выходное напряже­ние суммируется с выходным напряжением основного выпрямителя перед выходным фильтром.

В данном разделе упоминались такие элементы преобразователей, как регулируемый инвертор, регулируемый выпрямитель и регулируемый преобразователь. Регулируемый выпрямитель может быть выполнен на тиристорах и тогда управление величиной его выходного на­пряжения достигается изменением момента включения вентилей. Можно выполнить регулируемый выпрямитель с регулированием на стороне переменного тока. Тогда в нем применяются регулирующие элементы, рассмотренные в гл. XII.

Рассмотрим схемы регулируемых инверторов и преобразователей. Существует довольно много схем регулируемых инверторов. Из них рассмотрим одну (рис.7.16), регулирующую среднее значение выходного напряжения изменением длительности паузы между импульсами. Эта схема содержит мостовой усилитель мощности, выполненный на транзисторах Т₁ — Т₄, два самовозбуждающихся инвертора — возбудителя (В₁ и В₂), создающих напряжения прямоугольной формы для коммутации силовых транзисторов усилителя мощности, и фазосдвигающее устройство ФСУ.

Возбудитель В₁ помимо формирования напряжений, управляющих транзисторами Т₁ и Т₂, синхронизирует работу возбудителя В₂. Синхронизация осуществляется через фазосдвигающее устройство. Колебания во втором генераторе В₂ имеют частоту, равную частоте колебаний В₁ , но происходят с некоторым запаздыванием по фазе, величина которого зависит от напряжения цепи обратной связи, подающгося с выхода на фазосдвигающее устройство.

Рис.7.16. Регулируемый инвертор, регулирующий среднее значение выходного напряжения

На рис. 7.17,б представлены временные графики для напряжений база — эмиттер транзисторов Т₁ — Т₄. Сдвиг по фазе между колебаниями ведущего и ведомого генераторов выбран равным 0,5 Т — Θ. На интервале 0<t<0,5Т-Θ будут открытыми транзисторы T₁ и Т₄, на первичной обмотке силового трансформатора инвертора получается напряжение, равное Е_п, т.е. u₁=Е_{п .}

На этапе 0,5Т-Θ<t<0,5Т открыты транзисторы Т₁ и Т₃. Напряжение и₁ 0. После запирания транзистора T₁ при t= 0,5Т отпирается транзистор Т₂ и на трансформатор подается напряжение—Е_п. Когда Т₃ запрется, напряжение и_х снова станет равным нулю и т. д.

Таким образом, в данном инверторе создается напряжение с нулевой паузой, причем длительность паузы зависит от величины напряжения, подаваемого на ФСУ с цепи обратной связи.

Рис.7.17. Временные графики для напряжений база-эмиттер транзисторов

Если регулируемый инвертор используется в ка­честве вольтдобавочного устройства, то полученное от него напряжение складывается с переменным напряжением основного инвертора, их сумма, подводимая к выпрямителю преобразователя, имеет в этом случае специфическую форму (рис.7.17,в).

Регулируемый преобразователь строится в большинстве случаев на основе регулируемого инвертора. Последний в этом случае дополняется выпрямителем. Чтобы характеристика получалась более крутой, выпрямитель должен иметь нагрузку, начинающуюся с индуктивности.

В качестве фазосдвигающего устройства применяют различные схемы. Хорошие показатели в данном применении имеет магнитный усилитель. Регулируя величину угла насыщения, получают в силовой цепи магнитного усилителя импульсы, синхронные с напряжением его питания, но с передним фронтом, запаздывающим по отношению к моменту смены полярности напряжения питания. Таким образом, запитав магнитный усилитель от возбудителя В₁ и подав на его управляющую обмотку напряжение с цепи обратной связи, получим на силовых обмотках импульсы, синхронизирующие работу возбудителя В₂.