книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений
.pdf)
И. И. БЕЛОПОЛЬСКИЙ А. М. РЕПИН А. С. ХРИСТИАНОВ
I
л
' . $
^ГѵЧ-Ѵ^-К |
-.-Л, ■ |
. іч^-т- |
’ - |
'■$ |
И. И. БЕЛОПОЛЬСКИЙ, А. М. РЕПИН, А. С. ХРИСТИАНОВ
СТАБИЛИЗАТОРЫ
НИЗКИХ
И милливольтовых
НАПРЯЖЕНИЙ
«Э Н Е Р Г И Я»
МОСКВА 1974
6Ф2.14 Б 43
УДК 621.346.72^.1:621.382
Гос;, публ'-'чяя? I научно-"; : I
ЧИТАЛЬ*0ГО о А М .
¥ < / - 9 6 ° 3
4 4
<Х? / / 4 У
Белопольский И. И. и др.
Б 43 Стабилизаторы низких и ыилливольтовых напря жений. М., «Энергия», 1974.
160 с. с ил.
Перед загл. авт.: II. И. Белопольский, А. М. Репин, А. С. Христианов.
В книге рассмотрены особенности построения стабилизированных выпрямителей низких н миллнвольтовых напряжений, изложена мето дика их расчета как в общем виде, так и па конкретных примерах.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, а также студентов вузов соответствующих специальностей.
30404-047 |
263-74 |
6Ф2.14 |
|
Б 051(01)-74 |
|||
|
|
© Издательство «Энергия», 1974 г,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Широкое использование в радиоэлектронной аппаратуре новых полупроводниковых элементов с низкими энерге тическими уровнями (интегральные схемы, туннельные диоды и пр.) сопровождаются значительными изменени ями требований, предъявляемых к выходным парамет рам вторичных источников питания. Так, например, на пряжения питания снижаются до единиц или даже до лей вольта; токи увеличиваются до единиц, а иногда и до десятков ампер; абсолютные величины допусти мых пульсаций выпрямленного напряжения 'вследствие значительного снижения уровней выходного напряжения становятся очень малыми, достигая значений нескольких милливольт.
При этих условиях проектирование вторичных ис точников питания методами, разработанными для ис точников на большие напряжения и меньшие токи, на талкивается на серьезные затруднения.
При низких напряжениях и больших токах нагрузки на условиях работы и выходных параметрах вторичных источников питания значительно сказываются внутрен ние сопротивления элементов схем и соединительных проводов, падения напряжения на которых становятся соизмеримыми, а иногда и превышающими уровни вы ходных напряжений. При использовании в стабилизи рованных источниках питания элементов, выпускаемых в настоящее время промышленностью (трансформато ров, дросселей, конденсаторов, резисторов, вентилей, транзисторов и других полупроводниковых приборов), необходимо выбирать схемы выпрямления, фильтрации и стабилизации, отличающиеся от аналогичных схем, применяемых при больших напряжениях и меньших то ках. Наряду с этим, особенно при весьма низких напря жениях, возникает потребность в элементах, обладаю щих малыми внутренними сопротивлениями и, следова
3
тельно, характеристиками, отличающимися от характе ристик существующих элементов.
При понижении выходных напряжений, несмотря на увеличение токов нагрузки, выходная мощность вторич ных источников питания намного снижается. Однако их размеры и масса при этом уменьшаются в значительно меньшей степени, чем уменьшается выходная мощность. Это обусловлено как существенным уменьшением к. и. д., так и присущей преобразовательным устройствам зако номерности, заключающейся в том, что удельная мощ ность (т. е. мощность, приходящаяся на единицу объе ма и массы) устройства значительно (иногда в несколь ко раз) снижается при уменьшении их выходной мощности.
Однако уменьшение габарита и массы вторичных источников питания не успевает за соответствующим уменьшением размеров и массы радиоэлектронной аппа ратуры. в процессе ее миниатюризации.
Из сказанного выше вытекает значимость проблемы миниатюризации вторичных источников .питания, реше нием которой в настоящее время заняты широкие круги специалистов как в нашей стране, так и за рубежом.
Предлагаемая вниманию читателей работа посвяще на лишь части этой общей проблемы, а именно выбору схем, их анализу и расчетам стабилизированных источ ников питания низких и милливольтовых напряжений, обладающих улучшенными по сравнению с известными энергетическими и удельными характеристиками.
Содержание данной книги основано в большей части на результатах проведенных авторами работ.
Книга состоит из четырех глав.
П е р в а я г л а в а посвящена обзору существующих схем выпрямителей и стабилизаторов низких напряже ний. В главе рассмотрены особенности построения и ис пользования выпрямителей и стабилизированных источ ников питания низких напряжений, регулируемых по цепям выходного (выпрямленного) напряжения, по це пям питающего (переменного) напряжения, а также ис точников с регулирующими элементами в цепях вы прямленного и переменного напряжения. Приводятся рекомендации по применению рассмотренных схем.
Во в т о р о й г л а в е рассмотрены особенности ра боты выпрямительных схем при низких и милливольто вых напряжениях. Режимы работы таких схем, как
4
и методы «к расчета, отличаются от режимов и методов, описанных в литературе. Оли характерны наличием больших внутренних сопротивлений фаз выпрямителей по отношению к сопротивлению их нагрузки, преиму щественным использованием многофазных схем вы прямления, коммутацией вентилей и необходимостью учета нелинейности их вольт-амперных характеристик. Рассмотрены физические особенности работы таких схем, .проведен их анализ я разработана инженерная методика их расчета.
В т р е т ь е й г л а в е рассмотрены схемы ключевых транзисторных стабилизаторов нового, не нашедшего широкого освещения в литературе типа, в котором ис пользуется измерительный элемент с релаксационным генератором на туннельном диоде. Этот тип измеритель ного элемента позволяет стабилизировать напряжения величиной от нескольких вольт до .нескольких сотен .мил ливольт. Приведен анализ схем стабилизаторов указан ного типа при включении регулирующего элемента, ра ботающего в ключевом режиме, в цепь выпрямленного напряжения, а также разработанная авторами методика их инженерного расчета.
Ч е т в е р т а я г л а в а содержит практические схемы стабилизаторов и примеры расчета.
Материалы, приведенные в гл. 2—4, а также частич но в гл. 1, являются оригинальными и основаны на ра ботах авторов.
Глава 1 и приложения написаны И. И. Белопольским
и А. М. Репиным, гл. |
2 — А. М. |
Репиным, |
гл. 3 — |
А. С. Христиановым, гл. |
4 написана авторами совместно. |
||
Будем признательны |
всем читателям, которые при |
||
шлют свои замечания |
по данной |
книге по |
адресу. |
Москва, 113114, Шлюзовая наб., 10, |
изд-во «Энергия». |
||
, |
|
|
Авторы |
Г Л А В А П Е Р В А Я
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
И СТАБИЛИЗАТОРОВ НИЗКИХ НАПРЯЖЕНИИ
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗА М Е Ч А Н И Я
Для ..питания современной радиоэлектронной аппарату ры различного назначения, построенной на полупровод никовых элементах (дискретных и интегральных), ха рактерно применение напряжений, лежащих в пределах от нескольких сотен милливольт до нескольких десятков вольт. Эти .напряжения могут быть отнесены к милливольтовым и низким напряжениям1. Действующий в на стоящее время отраслевой стандарт ОСТ4ГО. 005. 019 рекомендует использовать следующий 'ряд напряжений: 250; 400; 600 мв, 1,2; 2,4; 3; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,6; 15; 20; 27; 40; 50 в.
При проектировании вторичных источников питания низких и милливольтовых напряжений должна быть учтена их опецифика, связанная в первую очередь с по вышенными значениями внутренних активных сопротив лений этих источников.
Для получения низких напряжений могут 'быть ис пользованы вторичные источники питания, выполненные по различным схемам.
Как правило, используются стабилизированные ис точники напряжений, так как при малых напряжениях в связи с увеличением внутренних сопротивлений, их не стабильностью во времени и по температуре, а также большими разбросами параметров элементов крайне сложно обеспечить получение требуемой величины и ета-
1 Выходные напряжения вторичных источников питания можно разделить на следующие группы: милливольтовые (менее 1 в); низ кие (от 1 до 50 в ); средние (от 50 до 250 в) ; повышенные (от 250 до 1 000 в); высокие (более 1000 в).
6
бильности уровня выходного напряжения без примене ния средств его стабилизации.
Рассмотрим особенности построения схем, достоинст ва, недостатки и области целесообразного применения стабилизированных источников низкого напряжения, ре гулируемых: 1) по цепям выпрямленного (выходного) напряжения; 2) по цепям переменного (питающего) напряжения и 3) по цепям -выпрямленного и переменно го напряжения одновременно.
В связи о тем что выпрямитель является неотъемле мой частью любого стабилизированного источника пита ния, рассмотрим вначале особенности использования выпрямителей для получения низких напряжений.
2. ВЫПРЯМИТЕЛИ
Для получения низких, средних и повышенных выпрям ленных напряжений в настоящее время преимуществен но применяются шестифазные мостовые схемы (рис. 1, а—в), обладающие рядом существенных пре имуществ по сравнению с шестифазными схемами с ну левыми выводами или «лучевыми» (рис, 1,г—е). К этим преимуществам прежде всего относятся: 1) наименьшая, при прочих равных условиях, типовая мощность транс форматора, что связано с лучшим использованием его обмоток; 2) отсутствие лодмагничивания, характерного (если не приняты специальные меры) для лучевых схем и 3) малые пульсации выпрямленного напряжения.
Однако при низких напряжениях (особенно при на пряжениях, составляющих несколько вольт) сильно ска зывается основной недостаток мостовых схем, заклю чающийся в том, что в этих схемах одновременно рабо тают два вентиля, соединенные последовательно. Если учесть, что падение напряжения при номинальном пря
мом |
токе в германиевых |
диодах достигает величины |
0,5 в, |
а в кремниевых 1 в |
при обратных напряжениях |
•порядка 100—200 в, то станет очевидным, что примене ние мостовых схем в этом случае будет неоправданным.
Отмеченное выше уменьшение мощностей выпрями телей при снижении их выходных напряжений приводит к соответствующему уменьшению удельной габаритной мощности трансформаторов выпрямителей и, как след ствие этого, к увеличению их относительных геометри ческих размеров и массы. С увеличением же геометри
7
ческих размеров относительное внутреннее сопротивле ние обмоток трансформатора возрастает.
Значительное влияние на внутреннее сопротивление и габарит .выпрямителя оказывают и сглаживающие фильтры.
Использование емкостных фильтров в низковольтных выпрямителях нецелесообразно из-за значительного уве личения типовой мощности трансформатора, большого объема конденсаторов фильтра вследствие малых допу стимых значений переменной составляющей выпрямлен ногонапряжения и 'больших изменений выходного на пряжения при изменении нагрузки в широких пределах.
<*) |
в) |
Рис. 1. Шестифазные схемы выпрямления: мосто вые на трехфазном (а) и однофазных (б) транс форматорах; в — с разделенными вторичными об мотками (первичные обмотки не указаны); луче вые на трехфазном (г) и однофазных трансфор маторах по схеме звезда (д) или треуголь ник (е) — звезда; /, //, / / / — трансформаторы.
8