книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами

С целью уменьшения .Vio трансформатор рекомендует­

ся выполнять на кольцевом магнитопряводе, а его обмот­ ки равномерно распределять по всему периметру магнитопровода. Это позволяет не учитывать индуктивные сопро­ тивления рассеяния обмоток и упростить выражение (118):

где KJU^ WI/ WZK — коэффициент трансформации по шунти­ рующей цепи; wi — число витков первичной обмотки; w2K—

число витков вторичной обмотки, связанной с коммутиру­ ющим транзистором.

Напряжение на первичных обмотках трансформаторов не зависит от характера отклонения напряжения Un и мо­

жет быть определено следующим образом:

а) на первичной обмотке основного трансформатора

дополнительных трансформаторов; с учетом того, что

п

где £ {/„-суммарное значение остаточных напряжений на 1

дополнительных трансформаторах, (120) примет вид

Uo—Ua{l— Д б )— 2 { /ю ;

б) на первичной обмотке дополнительного трансфор­ матора m-го разряда

При выборе параметров схемы управления, в частно- :ти частоты генератора тактовых импульсов ГИ, следует учитывать, что для обеспечения устойчивости системы авгорегулирования необходимо, чтобы период следования тактовых импульсов превосходил длительность переходно- '0 процесса на выходе СППР.

Длительность переходного процесса зависит от пара­ метров: сглаживающего фильтра, трансформаторов, на- 'рузки и пр. Ввиду сложности учета перечисленных фак-

торов для практических расчетов целесообразно использо­ вать аналоговое моделирование [37], позволяющее с достаточно высокой точностью получить близкие к реаль­ ным переходные процессы при различных режимах работы СППР и выбрать требуемую частоту Г'И.

Для исключения несимметричного режима работы си­ ловых трансформаторов при переключении регулирующих транзисторов частоту тактовых импульсов следует синхро­ низировать с рабочей частотой ПЯ.

Повышение быстродействия СППР и уменьшение пуль­ сации выходного напряжения связано с удовлетворением противоречивых требований к параметрам сглаживающе­ го фильтра. Чтобы не ухудшать быстродействие и обеспе­ чить низкий уровень переменной составляющей выходного напряжения, входы П\ и Я2 следует подключить не к вы­

ходу СППР, а к входу сглаживающего фильтра.

В итоге можно заключить, что СППР с дискретноиз­ меняемым коэффициентом передачи, поскольку его регу­ лятор работает в режиме переключения, обладает более высоким КПД по сравнению с СППР, имеющим непрерыв­ ный РЭ й лучшие динамические параметры по сравнению с СП с ШИМ. Наиболее предпочтительно их применение в качестве предварительных СИ (в том числе многовы­ ходных) повышенной - (более 150 Вт) мощности, предназ­ наченных для работы от сетей со значительными отклоне­ ниями напряжения.

15. СП С КОМБИНИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

СППР с дискретно изменяемым коэффициентом пере­ дачи имеют относительно низкую стабильность выходного напряжения (около 3—5%). Повышение стабильности вы­ ходного напряжения достигается в СП с комбинированным управлением [31, 32], в которых кроме дискретно-регули- рующих элементов содержатся и непрерывные, работаю­ щие в *узк°м диапазоне изменения входного напряжения. Это позволяет сохранить повышенный КПД ИВЭП и обес­ печить его работоспособность в широком диапазоне изме­ нения Uц.

В простейшем случае комбинированное управление мо­ жет быть получено путем включения на выходе СППР с дискретным регулятором (например, рассмотренного в предыдущем параграфе) обычного .непрерывного СН. Этот вариант наиболее предпочтителен в многоканальных ИВЭП, позволяющих обеспечить на своих выходах не­ сколько независимых высококачественных питающих иапря-

жений. При использовании СППР с дискретно изменяе­ мым коэффициентом передачи в качестве предварительно­ го стабилизатора один из каналов (наиболее мощный) должен быть образован путем подключения непрерывного РЭ к выходу СППР, остальные — путем подключения са­ мостоятельных непрерывных РЭ к дополнительным вто­ ричным обмоткам основного трансформатора с индивиду­ альными выпрямителями, обеспечивающими требуемые значения выходного напряжения.

В одноканальных ЙВЭП непрерывный РЭ целесообраз­ нее включать параллельно обмотке одного из дополни­ тельных трансформаторов (аналогично включению комму­ тирующего. транзистора). При этом за счет, лучшего ис­ пользования транзистора можно существенно уменьшить габаритные размеры непрерывного РЭ, а также несколько повысить общий КПД ЙВЭП.

Сравним потери мощности в СППР с непрерывными РЭ и в СППР с комбинированным управлением. П|ри срав­ нении будем полагать, что оба СППР рассчитаны на оди­ наковый диапазон изменения питающего напряжения Д и имеют равное число ПРЭ N.

В СППР с непрерывными РЭ в активном режиме всег­ да находится один РЭ, поэтому потери мощности в нем при N РЭ .не будут превосходить значения

( 122)

•где U'п, U'р.и.о — приведенные к выходу значения напря­ жений питания и остаточного на РЭ; I» — ток нагрузки.

При комбинированном управлении имеем N—1 ди­

скретный РЭ и один непрерывный РЭ. Максимальные по­ тери в регуляторе

где £/'р,д,о— приведенное к выходу остаточное напряжение

на дискретном РЭ.

На практике обычно U'p^o&U'p^o— U'o, вследствие

чего.

Таким образом, оба рассматриваемых варианта СГ1ПР при условии одинакового в них количества РЭ имеют при­ мерно равные потери на регулирование и, следовательно, равные значения КПД.

Учитывая, что СППР с непрерывными РЭ несколько проще в реализации, чем СППР с комбинированным управлением, его применение в одноканальных ИВЭП сле­ дует считать .более предпочтительным.

В многоканальных ИВЭП. имеющих несколько не свя­ занных между собой выходов, отличающихся как по мощ­ ности, так и по напряжению, комбинированное управление более предпочтительно, так как позволяет значительно со­ кратить общее число РЭ по сравнению с индивидуальными СППР и потери на регулирование по сравнению с обыч­ ным непрерывным регулированием. Первое очевидно, а для пояснения второго произведем оценку эффективности комбинированного регулирования при условии использова­ ния N дискретных РЭ в диапазоне изменения питающего напряжения Д. За критерий эффективности К примем от­ ношение мощйости потерь в комбинированном РЭ Рр,к к

мощности потерь в обычном непрерывном РЭ РР)0, что со­ ответствует N=0.

Мощность потерь в комбинированном РЭ

Первое слагаемое в скобках определяет потери за счет остаточных напряжений на каждом из N дискретных РЭ,

второе — потери в непрерывном РЭ, третье — потери в не­ прерывном РЭ из-за наличия остаточного напряжения на последнем.

Мощность потерь в непрерывном РЭ

где %— U'o/Un—'коэффициент, характеризующий относи­

тельное значение остаточного напряжения РЭ, зависит от конкретной схемы регулятора и режима его работы, как правило |= 0,01 ч-0,05.

Проанализируем выражение (126). Параметр К опре­

деляет относительные потери мощности при комбинирован­ ном управлении, которые состоят из потерь за счет оста­ точных напряжений (первый член суммы) и возрастают при увеличении N, а также потерь в непрерывном РЭ (вто­

рой член суммы), которые уменьшаются при увеличении 'N. Следовательно, должно быть такое число N, при кото­ ром К минимально. Для определения экстремума К про­ дифференцируем (126) по N и, приравняв производную

нулю, получим оптимальное значение A/опт, соответствую* щее минимальному значению /С:

На рис. 27 в соответствии со (127) построены'графики, позволяющие определить число РЭ при различных Д и соответствующее минимальной мощности потерь при ком­ бинированном управлении. На рис. 28,а, б приведены

графические зависимости, построенные в соответствии со (126), которые показывают относительное уменьшение по­ терь на регулирование в зависимости от | и числа РЭ.

Рис. 27. Зависимость числа ПРЭ при комбинированном управлении,. соответствую­ щего минимальным потерям мощности в регуляторе

Рис. 28. Зависимость относи­ тельных потерь мощности в комбинированном регуляторе

от числа дискретных РЭ:

а — при Д~0,5; б — при Д=0,2

Следует отметить, что эти результаты были получены исходя из предположения равенства остаточных напряжетшй на всех РЭ. При невыполнении данного условия К

может быть определено из выражения

Из изложенного следует:

1.Поскольку СППР с комбинированным управлением

иСППР с непрерывными ПРЭ при одинаковом числе РЭ имеют примерно равные потери мощности на рёгулирова-

ние, полученные результаты справедливы и для СППР с непрерывными ПРЭ.

2. Эффективность использования комбинированного управления в ИВЭП с точки зрения минимизации потерь существенно возрастает при увеличении отклонений на­ пряжения сети и при уменьшении остаточных напряжений на ПРЭ.

Рис. 29. Схема многоканального СППР с комбинирован­ ным управлением

3. Число ПРЭ Л^опт=2ч-3 охватывает большинство слу­ чаев практики. Дальнейшее увеличение их количества свя­ зано с неизбежным усложнение'м СППР, увеличением его габаритных размеров.

В качестве примера на рис. 29 приведена схема трехканального СППР с комбинированным регулированием, содержащая последователь­ но -соединенные по входу преобразовательные ячейки ПЯ\—ПЯг, вы­ прямители UDi— UDs, сглаживающие фильтры 4>i—Ф3, дискретный ре­ гулятор на транзисторах VT\, VT2 со схемой управления У и три не­

прерывных стабилизатора, напряжения Ctfi—С #3.

При максимальном напряжении источника питания Uu транзисто­ ры VT\— VT2 закрыты и поэтому работают все ПЯ. При этом, посколь­ ку выходы ячеек через выпрямители UDi—t/D3 соединены параллельно,

входное напряжение распределено между ячейками в соответствии с ко­ эффициентами трансформации их выходных трансформаторов. Выход­ ной трансформатор ячейки ПЯъ имеет два дополнительных выхода,

обеспечивающих (после соответствующего выпрямления и сглаживания) питающими напряжениями СН2 и СЯ3. Стабильность и качество выход­ ных напряжений UBi— Пи3 определяются работой индивидуальных не­

прерывных СН.

При уменьшении напряжения источника С/п уменьшаются напряже-

Нйй па входах ПЯ и СИ. Когда напряжение Ua■достигнет своего пер­

вого предельного значения, устройство управления У включит транзи­ стор VT1. Это вызовет скачкообразное увеличение напряжения иа вхо­ дах ячеек ПЯг, ПЯг и обеспечит запас напряжения для нормального функционирования СН\—С #3. При дальнейшем уменьшении напряже­ ния Ua и достижении им второго предельного значения устройство У включит транзистор VT2, что обеспечит новый запас напряжения на

регулирующих элементах непрерывных стабилизаторов.

Таким образом, дискретный регулятор позволяет в большом диа: пазоне изменения напряжения источника Ua обеспечить работу всех

непрерывных СН с малыми падениями напряжения на их РЭ и, следо­ вательно, снизить мощность потерь на регулирование.

СППР о комбинированным регулированием могут быть рекомен­ дованы для использования в многоканальных ИВЭП, обладающих по­ вышенным КПД при значительных отклонениях напряжения сети и всеми преимуществами непрерывных СН по качеству выходного напря­ жения.

16.РЕЗЕРВИРУЕМЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ В СП

Сцелью повышения надежности аппаратуры при со­ хранении ее массогабаритных характеристик в последнее время стали использоваться ИВЭП, которые могут изме­ нять свою структуру в зависимости от входных и нагру­ зочных режимов путем коммутации соответствующего ко­ личества резервных узлов. Для подобных ИВЭП харак­ терно высокое значение КПД в широком диапазоне изме­ нения тока нагрузки и входного, напряжения.

На рис. 30 представлена схема широкодиапазонного СП повышенной надежности [33]. Он содержит N основных и

Мрезервных 17Я, разделенных на две группы. Обе груп­ пы ПЯ с помощью транзисторных ключей VTU VT2 в за­ висимости от напряжения источника питания Un могут

быть включены по входу последовательно или параллель­ но. Выходы всех ПЯ объединены параллельно и через дат­ чик тока ДТ подключены к нагрузке. Управление ячейка­

ми осуществляется широтно-импульсным сигналом через коммутатор, который в зависимости от тока нагрузки про­

пускает, управляющий сигнал в нужное количество пар ПЯ. Пороговая схема ПС обеспечивает последовательное соединение групп ПЯ при условии, что питающее напря­

жение не менее 2£/пДб, и параллельное — при условии, что питающее напряжение менее 2£/лДб (см. рис. 2). Это по­ зволяет расширить'относительную величину изменения пи­ тающего напряжения до ЗДг, без увеличения расчетной мощности силовых элементов ПЯ и габаритных размеров

сглаживающих фильтров на выходе СП. Адаптация регу-

Рис. 30. Схема широкодиапазонного резервируемого СППР повышенной надежности

лирующего органа к току нагрузки позволяет повысить динамическую стабильность выходного напряжения при изменениях нагрузки и способствует стабилизации режима работы силовых транзисторов, что существенно уменьшает относительную долю потерь схемы управления при малых токах нагрузки. Повышенная надежность схемы даже при небольшой избыточности (M/N^O, 14-0,25) объясняется

тем, что в случае выхода из строя одной или нескольких работающих ПЯ коммутатор заменяет их исправными из числа резервных.

Расчет параметров схемы может проводиться с учетом рекомендаций [35].

..Экспериментальный образец такого СП имел следую­ щие основные характеристики: питающее напряжение U„—23-4-92 В, выходное напряжение UH—27±0,2 В, ток

нагрузки /ц=2ч-80 А, удельная мощность Руд-=120 Вт/кг, вероятность безотказной работы 0,99 за 3000 ч, N —50,

М= 10.

Внастоящее время использование описанного принци-

на построения ИВЭГ1 ввиду его сложности может быть оправдано прежде всего в мощных широкодиапазонных СП повышенной надежности. В дальнейшем по мере раз­ вития силовой микроэлектроники область применения таг ких устройств может быть существенно расширена.

1.Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Про­ ектирование и расчет/ Под ред. С. Д. Додика, Е. И. Гальперина. М.: Советское радио, 1969. 448 с.

2.Артамонов В. В. Маломощные выпрямители. М.: Связь, 1970.

240 с.

3.Мефферт X. Температурное поле в кубе с внутренним тепловым делением. — Bull. Just. inf. froid, 1970, 50, ч. 1.

4.Якоб М. Вопросы теплопередачи. М.: Изд-во иностр. лит., 1960.

329 с.

5.Будянский А. Я., Зозулев J3. И., Инякин И. А. О формализован­

6.Белопольский И. И. Проектирование источников электропитания радиоаппаратуры. М.: Энергия, 1967. 304 с.

7.Домеников В. И., Казанский Л. М. Стабилизированные источники

электропитания судовой радиоэлектронной, аппаратуры. Л.: Судострое­ ние, 1971. 400 с.

8.Карпов В. И. Полупроводниковые компенсационные стабилиза­ торы напряжения и тока. М.: Энергия, 1967. 176 с.

9.Полянин К. П. Интегральные стабилизаторы напряжения. М.:

Энергия, 1979. 190 с.

10.Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлек­ тронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

11.Иванчук Б. Н., Липман Р. А., Рувинов Б. Я. Тиристорные и магнитные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1968. 112 с.

12.Додик С. Д., Иванчук Б. Н., Киселев Н. И. О построении си­ стем электропитания приборов' и средств цифровой вычислительной тех­ ники.— В кн.: Устройства вторичных источников электропитания РЭА.

М.: МДНТП, 1976. с. 10— 16.

13.Мкртчян Ж. А. Электропитание электронно-вычислительных ма­ шин. М.: Энергия, 1980. 208 с.

14.Компенсаторы провалов напряжения/ Б. Н. Иванчук, И. И. Ko-v лосков, Е. В. Кондратюк, В. А. Сушко. — В кн.: Современные задачи, преобразовательной техники. Киев: ИЭД АН УССР, выл. 3, 1975. с. 291.

15.Иванчук Б. Н., Колосков И. И. Компенсация провалов питаю­

щего напряжения как средство совершенствования систем с непрерыв­ ными ВИП. — В кн.: Устройства вторичных источников электропитания РЭА. М.: МДНТП, 1976, с. 36—40. ,

16.Теория автоматического регулирования/ Под ред. В. В. Солодовникова. Кн. 1. М.: Машиностроение, 1967. 768 с.

17.А. с. 647666 (СССР). Система электропитания стабилизиро­ ванными напряжениями постоянного тока/ Ж' Т. Апинян, И. И. КолосKQ9 и др. Опубл. р Б. И., 1979, № 6.

18. А. с. 708329 (СССР). Устройство для компенсации провалов на­ пряжения/ Б. Н. Иванчук, И. И. Колосков, Б. Я- Рувинов. -Опубл.

вБ. И., 1980, № 1.

19.А. с. 832541 (СССР). Стабилизированный источник питания по­

стоянного напряжения/ Г. Л. Хренников. Опубл. в Б. И., 1981, № 19. 20. Гончаров А. 10. Дискретно-непрерывные стабилизаторы напря­ жения.— В кн.: Электронная техника в автоматике/! Под.ред. 10. И. Ко­

№24. .

22.А. с. 575634 (СССР). Стабилизированная система питания на­ пряжением постоянного тока/ Г. Л. Хренников. Опубл. в Б. И., 1977,

№37;

23. А. с. 779987 (СССР). Стабилизированный источник питания/

A.Ю. Гончаров, В. И. Кадель. Опубл. в Б. И., 1980, № 42.

24.А. с. 84730*1 (СССР). Стабилизатор напряжения с непрерывным

регулированием/ В. П. Борисов, Г. Л. Хренников. Опубл. в Б. И., 1981, № 26.

25. Каретникова Е. И. Серийные интегрально-гибридные ВИП. — В кн.: Электронная техника в автоматике/ Под род. 10. И. Конева,

снепрерывным регулированием/ В. П. Борисов, И. И. Колосков,

Г.Л. Хренников. Опубл. в Б. И., 1980, № 39.

28.А. с. 493877 (СССР). Инвертор со ступенчатым регулированием выходного напряжения/ А. К. Мусолин, В. П. Мнловзоров, Ю. В. Зай­ цев, Н. И. Дуплин. Опубл. в Б. И., 1975, № 44.

29.Белопольский И. И. Источники питания радиоустройств. М.: Энергия, 1971. 312 с.

30.А. с. 741388 (СССР). Ступенчато-регулируемый преобразователь постоянного напряжения/ В. П. Борисов, И. И. Колосков. Опубл. в Б. И., 1980, № 22.

31.А. с. 618827 (СССР). Регулируемый понижающий конвертор/ B. П. Борисов, И. И. Колосков. Опубл. в Б. И., 1978, № 29.

32.А. с. 650177 (СССР). Стабилизированный источник постоянного напряжения/ В. П. Борисов, И. И. Колосков. Опубл. в Б. И., 1979, № 8.

33.Дуплин Н. И., Мнловзоров В. П., Мусолин А. К. Применение адаптируемых структур во вторичных источниках питания. — В кн.: Устррйства вторичных источников электропитания РЭА. М.: МДНТП, 1976. с. 32—36.

34.Андреев Ю. В., Абрамзон Г. В. Преобразователи тока для изме­

рений без разрыва цепи. — Л.: Энергия, Ленинградское отд., 1979. 144 с. 35. Широкодиапазонный стабилизатор постоянного напряжения по­ вышенной надежности/ Н. И. Дуплин, В. П. Мнловзоров, А. К. Мусо­ лин, А. А. Бас. — В кн.: Электронная техника в автоматике/ Под ред.

IO. И. Конева. М.: Советское радио, 1979, вып. 8, с. 108— 114.

36. Поляков В. А., Гузовский И. Г. Способ улучшения энергетиче­ ских характеристик источников питания с бестрансформаторным вхо­ дом .— В кн.: Полупроводниковая электроника в технике связи/ Под •ред. И. Ф. Николаевского. М.: Радио и связь, 1981, вып. 21, с. 152— 155.

37. Климов В. П. Аналоговое моделирование автономных инверто­ ров напряжения. — В кн.: Электронная техника в автоматике/ Под ред. Ю. И. Конева. М.: Советское радио, 1978, вып. 10, с. 151— 157.