книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами

При определении КПД данной схемы можно учитывать только по­ тери мощности на открытых ключевых элементах, так как потребление схемы управления незначительно, а трансформаторы длительное время работают в режиме холостого хода.

Поскольку все ключевые элементы коммутируются при прохождении тока через нуль, коммутационные потери в них практически отсутствуют и потери в КОН могут быть определены соотношением

ношениях (17) и (16), т. е. общий объем открытых в длительном режиме работы ключевых элементов будет равен

С учетом повторно-кратковременного режима работы КОН общий объем закрытых в длительном режиме работы ключевых элементов

Для реальных источников питания обычно Та/Т=0,2, отсюда с уче­

том (73)— (75) суммарный объем силовых элементов может быть опре­ делен из соотношения

V ~ P ,{A (Дч—Д2) / [ 1— (А,—пДг)] + В > ,

где Л = 0,4/(ут; Д = 1 ,4 г т (//оу1>-|-//огв) / / / н,ф.

Оценка габаритных размеров КОН, выполненного по рассмотрен­ ной выше схеме, показывает, что объем его силовой части оказывается соизмеримым с объемом схемы управления. Это обусловлено примене­ нием в СУ нескольких трансформаторов, обеспечивающих гальваниче­ скую развязку цепей управления как между собой, так и по отношению к силовой цепи. Для уменьшения габаритных размеров КОН развязку..

Рис. 14. Силовая часть КОН с оптронными формирователями им­ пульсов

Рис. 15. Схема управления КОН по рис. 14

3— 109

перечисленных цепей целесообразно осуществлять с помощью оптронных пар.

На рис. 14 приведена схема силовой части КОН с цепями форми­ рования управляющих импульсов (ФИ), а на рис. 15 — его схема, управления, подключаемая к ФИ с помощью тиристорных опто­

пар [18].

Как и КОН по схеме рис. 13, рассматриваемый КОН имеет одну ступень коммутации, обеспечиваемую автотрансформаторами Тi и Т2.

В качестве коммутирующих .ключей используются включенные встречно.- параллельно тиристоры.

С целью выполнения идентичных схем управления всеми тиристо­ рами с минимальным количеством развязанных цепей управления до­ полнительная ступень автотрансформатора содержит две параллельно включенные обмотки w2 и ш3, в цепь каждой из которых включено по

одному из встречно-параллельно соединенных тиристоров.

Для формирования управляющих сигналов тиристоров используют­

ми объединенные катоды и подключенными к одному автотрансфор­ матору. Синхронизация управляющих импульсов с коммутируемой сетью осуществляется за счет того, что питание на каждый ФИ подает­

ся с вольтодобавочной обмотки автотрансформатора той фазы, в ко­ торой установлен коммутатор и соответствующий ФИ. На ФИ через сглаживающий iftC-фильтр подается выпрямленное диодом VD4. напря­ жение, которое стабилизируется стабилитроном VD\.

Выработка управляющего импульса, совпадающего по фазе с на­ пряжением на тиристорах, обеспечивается с помощью элемента И на транзисторах VT\ и VT2, управляющего транзистором VT3. Сигнал на управляющие переходы тиристоров подается через транзисторы VT4

или VTs, которые насыщаются в зависимости от того, какая из опто­ пар включена. Оптопара D\ включается, когда £/с >£/с,вкл (£/с,ВКЛ -

значение напряжения питающей сети, при котором происходит включе­ ние дополнительной обмотки), и при этом открываются тиристоры, пе­ редающие напряжение сети на нагрузку без изменения амплитуды.

Оптопара Z)5 включается, когда £/с <£/с,вкл, и при этом открываются тиристоры, подключающие обмотки w 2 , W 3 , компенсирующие отклонение

напряжения в питающей сети.

уставки уровня питающего напряжения служат делитель Ri, Rz, #з и опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона VD\. Разность изме­

ренного и опорного напряжения подается на переход база — эмит­ тер транзистора VT5. При £/с>{Ус,вкл транзисторы VT5, а следова­ тельно, и VT+. переходят в режим насыщения и через оптопары D\—Di

щения и обеспечивается включение оптопар, управляющих тиристорами VSi— KS4 (см. рис. 14).

Включение схемы управления осуществляется размыканием клю­ ча К, благодаря чему выключается транзистор VTa, а следовательно, обесточивается цепь питания оптопар. Точки подключения ключа К мо­

гут быть использованы для подключёния защиты, выключающей КОН в аварийных ситуациях.

Оценка КПД и габаритных размеров рассмотренного КОН может быть произведена по методике, принятой для КОН до схеме рис. 13. Однако надо иметь в виду, что объем силового трансформатора не­ сколько возрастет за счет использования его обмоток только в течение одного полупериода питающего напряжения. При этом некоторое уве­ личение габаритных размеров трансформаторов не приводит к увели­ чению габаритных размеров всего КОН, поскольку схема управления в данном случае имеет габаритные размеры, несоизмеримо меньшие силовой части, и в перспективе может* быть выполнена в гибридно-инте­ гральном исполнении.

Следует отметить, что при использовании данного КОН в качестве бесконтактного коммутатора в отличие от схемы рис. 13 при запирании тиристорных ключей не обеспечивается полное отключение трансформа­ торов Ти Т2 и они продолжают работать в режиме холостого хода.

Глава вторая

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ РЕГУЛИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

5. КЛАССИФИКАЦИЯ СИ С ПРЭ

Применение предварительных стабилизаторов — КОН, как показано в гл. 1, наиболее эффективно при наличии в со­ ставе аппаратуры достаточно большого количества СН (по­ рядка 10 и более). С уменьшением количества последних эффективность использования КОН падает, и это закоиот мерно: КОН представляет собой достаточно сложное уст­ ройство, характеризуемое свойственным ему комплексом параметров — физическим объёмом, надежностью, тепловы­ делением и пр.; с уменьшением количества СН соответствен­ но уменьшаются и абсолютные значения улучшаемых (благодаря использованию КОН) параметров СН — выиг­ рыша в объеме, надежности, мощности потерь, и в предель-

ном случае этот выигрыш будет полностью скомпенсирован собственными параметрами КОН. Вследствие этого в ап­ паратуре с относительно малым количеством СН более эф­ фективным является выполнение каждого из них с исполь­ зованием переключаемых регулирующих элементов, рабо­ тающих в непрерывном режиме.

В СН с ПРЭ (в дальнейшем СПР) сохранен непрерыв­ ный режим работы РЭ (или элементов), а следовательно, сохраняются и все преимущества обычных СН по сравне­ нию с другими типами стабилизированных, ИВЭП.

Вместе с тем структура СПР предполагает, что каждый отдельно взятый РЭ рассчитывается на активный режим работы в достаточно узком диапазоне изменения питаю­ щего напряжения. Это позволяет уменьшить потери мощ­ ности в ПРЭ и тем самым уменьшить габаритные разме­ ры, повысить надежность и КПД СИ.

СПР реализуются без применения энергоемких реактив­ ных элементов, легко поддаются миниатюризации, что при­ влекло к ним в последнее время усиленное внимание раз­ работчиков устройств электропитания.

При всем многообразии известных в настоящее время технических решений общим для всех СПР является на­ личие нескольких (обычно двух-трех) РЭ, работающих в активном режиме, как правило, поочередно.

Известные СПР [19—26] различаются менаду собой по составу силовой цепи, схеме соединения РЭ, особенностям схемотехнического исполнения узлов управления.

По составу силовой цепи можно выделить следующие типы СПР: с дополнительным источником питания, с бал­ ластными резисторами.

По схеме соединения РЭ известны СПР: с последова­ тельным включением РЭ, с параллельным включением РЭ.

Во всех перечисленных типах управление РЭ может осуществляться по общей, особым образом выполненной цепи отрицательной обратной связи (СПР с одноконтурным управлением). или по индивидуальной для каждого РЭ це­ пи управления (СПР с многоконтурным управлением). В последних находят применение схемы непрерывного ре­ гулирования и схемы управления позиционного типа в соче­ тании с первыми.

В последнее время появились публикации [19], пока­ зывающие возможность4 выполнения подобных структур с помощью выпускаемых отечественной промышленностью микросхем СН. Такие схемы характеризуются сочетанием указанных признаков, но обладают некоторыми специфиче­

скими особенностями, в связи с чем их целесообразно рас­ сматривать как отдельную группу СПР.

Ниже рассматриваются функциональные схемы СПР, соответствующие приведенной классификации. В связи с тем что схемы с тремя и более РЭ на практике использу­ ются весьма редко, анализ проводится для СПР с двумя РЭ. При большем количестве РЭ их параметры могут быть определены с учетом рекомендаций [20].

6. ДВУХКОНТУРНЫЕ СПР С ПОЗИЦИОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Рассматриваемая ниже схема СПР содержит одновре­ менно позиционный и непрерывный РЭ и в соответствии с приведенной в § 5 классификацией относится к СПР с миогоконтурным управлением и последовательным соединени­ ем РЭ.

Структуры с миогоконтурной схемой управления в ос­ новном применяются в СН с относительно большим зна­ чением выходного напряжения (порядка 20 В и более), хо­ тя могут использоваться и в стабилизаторах с более низки­ ми уровнями выходного напряжения. Объясняется это тем,

ющего в непрерывном режиме и управляемого по цепи от­ рицательной обратной связи У0. При напряжении источника питания U0t близком к номинальному, питание РЭ0 осу­ ществляется от источника У0 через диод VD, В этом-режи­

ме дополнительный регулирующий элемент А9Д, питаемый суммарным напряжением источника У0 и вспомогательного источника UB, удерживается в обесточенном состоянии уст­

ройством управления Уд, работающим в релейном режиме и осуществляющим контроль напряжения источника У0.

При уменьшении напряжения У0 менее допустимого

значения, определяемого минимально допустимым напря­ жением на элементе РЭ0, устройство Уд переключается во

второе устойчивое состояние и переводит в насыщенное со­ стояние элемент РЭА. В этом режиме на элемент РЭ0 по­ ступает суммарное напряжение источников Уа и Ув. При восстановлении номинального значения У0 схема возвра­

щается в исходное состояние. Таким образом, с помощью дополнительных элементов Ув, РЭЛ} Уд на входе РЭ0 обес­

печивается необходимое напряжение во всем диапазоне из­ менения напряжения питания (источники У0, UD) и в то же время достаточно малое выделение мощности в РЭ0 при напряжении У0, близком к номинальному.

Следует отметить, что если напряжение источника У0

содержит переменную составляющую, то, как и в ранее рас­ смотренных КОН, релейная характеристика элемента Уд должна иметь петлю гистерезиса, ширина которой должна быть не менее двойной амплитуды переменной составляю­ щей. В противном случае в граничном режиме, соответст­ вующем началу активной работы РЭА, неизбежно возник­

новение коммутации последнего с частотой переменной со­ ставляющей.

Рассмотрим расчетные соотношения. Для упрощения бу­ дем полагать, что потери мощности в цепях управления У0, Уд и внутренние сопротивления источников £/0., Ув прене­

брежимо малы,

Кроме того, поскольку на практике обычно источники У0, UB взаимосвязаны (например, представляют собой вы­

прямители, подключенные к общему источнику питания), условимся, что их напряжение изменяется синхронно и про­ порционально.

Примем следующие обозначения: С/н, Уо, Уи— номи­

нальные значения напряжения на выходе СПР и соответ­ ствующих источников питания; А — относительное измене-, ние напряжения питания источников Уь, Ув, Уп? — прямое падение напряжения на диоде VD; С/'р)0,- £/'Р>д —-остаточное