книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

Рис. 6.30

билизатора при импульсном изменении тока нагрузки резисторы де­ лителя подключаются непосредственно к нагрузке. Конденсатор С* повышает устойчивость стабилизатора и снижает уровень пульсаций выходного напряжения. Конденсатор Ск («0,1 мкФ) способствует уменьшению шумов на выходе стабилизатора и повышает устойчи­ вость. Конденсатор Соп шунтирет выход опорного напряжения от наводок и помех со стороны других элементов источника электропита­ ния в условиях печатного монтажа.

Входной конденсатор CDX может принадлежать сглаживающему фильтру выпрямителя, если он располагается в непосредственной близости от стабилизатора. Если же они разнесены в пространстве, то на входных зажимах микросхемы следует установить дополнитель­ ные конденсаторы СЕХ, которые исключают влияние помех со стороны входа стабилизатора.

Узел защиты ИСН от перегрузки по току и от короткого замыка­ ния состоит из датчика тока R1 и делителя R2, R3, определяющих режим работы стабилизатора. При этом ток через делитель выбирается равным / д = 0,3 A, a R2 = 2 кОм. Сопротивление резистора R3 в кнлоомах определяется по формуле

R3 = (£/„ + Uбэ)//д = (£/„ + 0,7)/0,3.

Напряжение датчика тока R1 запирает стабилизатор только при токе /„ > / кз, при этом.ток / кэ выбирается из условия

/кз « 2,2/,, ^ /птах,

а сопротивление резистора

R l = Uвэ/7кз = 0,7//Кз.

261

Величину сопротивления резистора R1 выбирают'минимально воз­ можной, так как оно увеличивает выходное сопротивление стабилиза­ тора. При этом следует учитывать, что с уменьшением R1 растет ток /кз, который для ИСН К142ЕН1.2 не должен превышать 150 мА.

Интегральные стабилизаторы типов К142ЕНЗ, К142ЕН4 имеют более сложную схему и обеспечивают более высокую стабильность выходного напряжения и ток нагрузки ИСН до 1 А.

Типовая схема включения этих ИСН приведена на рис. 6.30, б. Назначение элементов: R1 — ограничительный резистор включения микросхем внешним сигналом; R2 — ограничительный резистор для регулирования порога срабатывания тепловой защиты; R3 — датчик сигнала защиты микросхемы от перегрузки по току и короткого замы­ кания в нагрузке; С1{— корректирующий конденсатор (совместно с выходным конденсатором С„ он обеспечивает устойчивую работу ИСН, обычно Ск = 0,01 мкФ); С — конденсатор, блокирующий вход микросхемы по цепи дистанционного выключения от наводок и помех со стороны монтажа.

ИСН с фиксированным выходным напряжением (К142ЕН5А.Б). Они являются усовершенствованием ИСН с регулируемым выходом и отличаются, тем, что могут использоваться без внешних элементов, масса и объем которых превышают саму микросхему. Микросхемы стабилизаторов этого типа содержат встроенную защиту от перегруз­ ки по току и тепловую защиту от максимально допустимой температу­ ры кристалла (175 °С), что существенно повышает надежность ИСН.

Типовая схема включения ИСН с фиксированным выходом приве­ дена на рис. 6.30, в. Выходной конденсатор (Сн 2,2 мкФ), как и в любом стабилизаторе напряжения, обеспечивает устойчивость при им­ пульсном изменении тока нагрузки и снижает уровень пульсации. Входной конденсатор (Свх :> 0,33 мкФ) устраняет генерации при скачкообразном включении входного напряжения, возникающие изза влияния паразитных индуктивности и емкости соединительных про­ водов, которые образуют контур ударного возбуждения. Кроме того, этот конденсатор обеспечивает апериодический вывод стабилизатора на режим при его включении.

Двухполярные стабилизаторы. К этому типу стабилизаторов отно­ сятся схемы, у которых плюс и минус выходного напряжения посту­ пают в нагрузку относительно общей (нулевой или корпусной) шины. Такие стабилизаторы в основном применяются для питания операци­ онных усилителей. Они могут быть построены из двух стабилизаторов однополярного напряжения или на базе одной микросхемы К142ЕН6.

В схемах первого типа выходное напряжение одного стабилизатора используется в качестве опорного напряжения второго стабилизатора, что позволяет обеспечить при воздействии различных дестабилизиру­ ющих факторов изменение выходных напряжений UHь U„2 одного знака и почти равной величины, что имеет существенное значение при питании ОУ.

Схема двухполярного стабилизатора, управление которым выпол­ нено на ИСН типа К142ЕН2, приведена на рис. 6.31. В ней в качестве РЭ использованы транзисторы VT2 и VT3 различной структуры.

262

Основным стабилизатором является отрицательный; его напряжение устанавливается резистором R9. Для регулировки положительного напряжения используется резистор R10.

Мискросхема К142ЕН6 имеет подобную структуру, но выполнена в одном корпусе. ИСН этого типа имеет выходное напряжение ± 1 5 В с возможностью регулировки внешним потенциометром от ± 5 В до

± 2 5 В; максимальный ток нагрузки 0,2 А; максимальное выходное напряжение 40 В; коэффициенты стабилизации по напряжению 0,005 % и току 0,02 % при сбросе тока до нуля; ТКН не хуже 0,01 %/°С.

Импульсные стабилизаторы напряжения. В компенсационных стабилизаторах непрерывного действия РЭ работает в активном режи­ ме как управляемое сопротивление, на котором непрерывно выделя­ ется мощность. А так как изменение величины этого сопротивления должны скомпенсировать изменения всех дестабилизирующих факто­ ров (в первую очередь входного сопротивления и тока нагрузки), то падение напряжения на РЭ (запас на регулирование) должно дости­ гать значительной величины (до 25...45 % от £/п), что приводит к низ­ кому к.п. д. (до 50 %). В импульсных компенсационных стабилизато­ рах РЭ работает в ключевом режиме, т. е. либо полностью открыт, ли­ бо полностью заперт, причем и в том и в другом состояниях потери мощности в нем минимальны. Это позволяет получить к. п. д. в импульс­ ных стабилизаторах до 92...98 %. Особенно заметны преимущества импульсных методов для стабилизации низкого напряжения (£/„ =

=1...10 В) при сравнительно высоком входном напряжении.

Вимпульсных стабилизаторах РЭ преобразует (модулирует) вход­ ное постоянное напряжение Un в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр демодулирует их опять в постоянное напряжение Un. При изменении вход­ ного напряжения U„ или тока нагрузки /,, в импульсном стабилиза­ торе с помощью цепи обратной связи длительность импульсов изме­ няется таким образом, что выходное напряжение UH остается с определенной степенью точности стабильным.

263

В зависимости от способа управления регулирующим элементом импульсные стабилизаторы могут выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или релейного типа. В ШИМ стабилизаторах в процессе работы при по­ стоянной частоте изменяется длительность открытого состояния РЭ; в стабилизаторах с ЧИМ изменяется частота коммутаций при неизмен­ ной длительности открытого состояния РЭ; в релейных стабилизато­ рах в процессе регулирования выходное напряжение колеблется, от­ носительно некоторого порогового значения, при этом под действием дестабилизирующих факторов изменяются'И частота и длительность работы РЭ.

Импульсные стабилизаторы с ШИМ обеспечивают высокий к. п. д. и оптимальную частоту преобразования независима от изменений вход­ ного напряжения и тока нагрузки; частота пульсаций на нагрузке неизменна, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии. Кроме того, легко осуществляется синхронизация работы группы стабилизаторов и потребителей.

Стабилизаторы с ЧИМ отличаются сложностью регулирования час­ тоты в широких пределах, особенно при больших колебаниях напряже­ ния питания и тока нагрузки, и невозможностью синхронизации их работы с потребителем и между собой. Последний недостаток относится также к релейным стабилизаторам, которые, кроме того, характе­ ризуются сравнительно большой пульсацией напряжения на нагруз­ ке (в стабилизаторах с ШИМ и ЧИМ пульсации выходного напряже­ ния принципиально может быть равна нулю, что невозможно в релей­ ных стабилизаторах по принципу их работы). Поэтому стабилизаторы с ШИМ получили преимущественное распространение; По способу соединения РЭ с нагрузкой импульсные стабилизаторы делятся на три разновидности: последовательные (понижающего типа), параллель­ ные (повышающего типа) и параллельные инвертирующие.

Импульсный последовательный стабилизатор (понижающего типа)

(рис. 6.32, а). В нем РЭ и дроссель фильтра L включены последователь­ но с нагрузкой Ru. При открытом РЭ в течение времени tHэнергия от входного источника £/„ передается в нагрузку через дроссель L, в котором накапливается избыточная энергия. При закрытом траизи-

264

сторе в течение времени паузы tn накопленная в дjpocceлe энергия че­ рез рекуперациоиный диод VD передается в нагрузку. Наличие кон­ денсатора в этой схеме не является принципиально необходимым, однако при его отсутствии для получения малой пульсации выходного напряжения требуется большая индуктивность дросселя.

Для более полного использования по напряжению регулирующего транзистора, применяемого в качестве РЭ, или ограничения напряже­ ния на нем применяются дроссели с отводами (рис. 6.32, б и в). Коэф­ фициент трансформации пт= w2/wlt для схемы на рис. 6.32, б меньше единицы, а для схемы на рис. 6.32, в — больше. В схеме стабилизато­ ра этого типа выходное напряжение всегда меньше входного.

Импульсный параллельный стабилизатор (повьииающего типа)

(рис. 6.33, а). В нем РЭ подключен параллельно нагрузке. Диод VD блокирует нагрузку Rn и конденсатор фильтра С от регулирующего элемента РЭ. Когда регулирующий транзистор открыт, ток источника питания Un протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом заперт, не давая конденсатору С разрядиться через от­ крытый транзистор. В следующий момент, когда регулирующий тран­ зистор закрыт, э. д. с. самоиндукции дросселя суммируется с входным напряжением и энергия дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение оказывается больше входного. В отличие от пре­ дыдущей схемы здесь дроссель не является элементом фильтра, а вы­ ходное напряжение становится больше входного на величину, опреде­ ляемую индуктивностью дросселя L и скважностью работы регулиру­ ющего транзистора.

Схема управления стабилизатором СУ построена таким образом, чтобы при повышении, например, входного напряжения Un длитель­

(рис. 6.34). В этом стабилизаторе, в отличие от предыдущей схемы, параллельно нагрузке подключен дроссель L, а регулирующий эле­ мент соединен с нагрузкой последовательно. Блокирующий диод от­ деляет конденсатор фильтра С от регулирующего элемента. При от­ крытом РЭ ток протекает только через индуктивность, запасая в ней

265

энергию. Диод VD при этом заперт, отсекая источник Un от нагрузки. При закрытом РЭ диод VD открывается и ток индуктивности проте­ кает через нагрузку.

Таким образом, напряжение на выходе имеет обратную полярность

ше, (рис. 6.34, б), так и меньше (рис. 6.34, в) напряжения £/п. Накопле­ ние энергии в L и С, а также передача ее от этих элементов и источника питания в нагрузку происходят так, как и в схемах на рис. 6.32.

Из рассмотренных схем наибольшее применение находит последо­ вательный импульсный понижающий стабилизатор, в котором сгла­ живание пульсации осуществляется VD-, LC-фильтром. В стабилиза­ торах повышающего типа и инвертирующем стабилизаторе дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного постоянного на­ пряжения. В этих схемах сглаживание пульсации достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличе­ нию массы и габаритов фильтра.

Так как процессы, происходящие во всех трех схемах, аналогичны, рассмотрим их для всех схем при допущениях, что активные потери во всех элементах силовой части (транзистор, диод, дроссель, конден­ сатор) равны нулю; насыщение дросселя отсутствует; пульсации на­ пряжения на нагрузке и время переключения транзисторов пренебре-' жимо малы; коэффициент трансформации пт= 1. Это позволяет за­ писать:

1.Потребляемая мощность равна мощности нагрузки, т. е.

Р п = U n lc p = */./„,

откуда коэффициент передачи по напряжению (току)

Kv = UH/Un = Icp/IH,

где / ср — среднее значение тока, потребляемого от источника;

2.Среднее за период напряжение на дросселе равно нулю;

3.Средний за период ток конденсатора равен нулю.

26в

_________________Глава 7__________________

ИНВЕРТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

7.1.Общие сведения

Инверторы — это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный. Они делятся на автономные инверторы и инверторы, ве­ домые сетью.

В инверторе, ведомым сетью, потребителем является сеть перемен­ ного тока, в которой величина напряжения, его частота и форма зада­ ны другими источниками электроэнергии (генераторами), работающи­ ми на ту же сеть. Эта же сеть определяет порядок работы инвертора.

Инверторы, ведомые сетью, применяются в вентильном электро­ приводе постоянного тока для рекуперативного торможения и ревер­ сирования напряжения, в вентильном электроприводе переменного тока с асинхронным или синхронным двигателем, в агрегатах бес­ перебойного питания, в линиях электропередачи постоянного тока.

Автономный инвертор (АИ) выступает источником электропитания и выдает на автономную нагрузку переменное напряжение с постоянной или регулируемой частотой.

По числу фаз выходного напряжения АИ подразделяются на одно­ фазные и трехфазные и реализуются по мостовой, полумостовой схе­ мам и схемам со средней точкой.

По способу управления АИ делятся на инверторы с самовозбужде­ нием и с внешним возбуждением. В АИ с самовозбуждением управля­ ющие сигналы формируются из выходного напряжения инвертора. Частота выходного напряжения определяется параметрами нагрузки.

В* инверторах с независимым возбуждением сигналы управления формируются внешним генератором, который и задает частоту выход­ ного напряжения.

■ В зависимости от характера протекания электромагнитных процес­ сов автономные инверторы подразделяются на три типа: инверторы тока (АИТ), резонансные инверторы (АИР), инверторы напряжения (АИН).

Для инверторов тока характерно то, что при переключении тири­ сторов формируется ток прямоугольной формы, а форма и фаза выход­ ного напряжения зависят только от параметров нагрузки.

Резонансные инверторы обеспечивают близкие к синусоидальным кривые напряжения и тока в нагрузке, плавное нарастание и спад тока через вентили и малые коммутационные потери мощности.

Инверторы напряжения формируют на нагрузке напряжение пря­ моугольной формы, а форма и фазовый сдвиг тока определяются ха­

268

рактером нагрузки. Инверторы напряжения могут работать в режиме холостого хода, обладают сравнительно жесткой внешней характери­ стикой.

Преобразователем частоты называется устройство, преобразующее переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты. Если такой преобразователь частоты осуществляет преобразование частоты при однократном преобразовании электроэнергии, то он называется непосредственным.

Непосредственные преобразователи частоты находят применение в подвижном транспорте, питающемся от контактной сети переменного тока, в электроприводе с электродвигателями переменного тока, в ав­ тономных объектах (самолетах, судах, на колесном транспорте) для по­ лучения стабилизированного по частоте и амплитуде выходного напря­ жения, в установках для перемешивания жидкого металла, в преобра­ зователях числа фаз питающей сети, в компенсаторах реактивной мощности.

Если преобразователь частоты осуществляет сначала выпрямление переменного тока, а потом инвертирование постоянного тока, то такой преобразователь частоты называется двухзвенным.

При числе преобразований электроэнергии больше двух преобра­ зователь частоты называется многозвенным.

Автономный инвертор является частным случаем преобразователя частоты, который преобразовывает ток нулевой частоты в переменный ток.

Основные области практического применения двухзвенных преобра­ зователей частоты:

1) питание потребителей переменного тока в устройствах, где един­ ственным источником энергии является аккумуляторная батарея (на­ пример, бортовые источники питания);

2)электроснабжение установок гарантированного питания при аварии в основной сети переменного тока (электросвязь, собственные нужды электростанций, реакторные установки);

3)регулируемый электропривод переменного тока с наиболее эко­ номичным частотным управлением;

4)электротранспорт, питающийся от контактной сети постоянного или переменного напряжения, где в качестве приводного двигателя желательно иметь простые, дешевые и надежные асинхронные двига­

тели с короткозамкнутым ротором;

5)преобразователи постоянного напряжения, преобразующие по­ стоянный ток одного уровня в постоянный ток другого уровня;

6)источники прямого преобразования энергии, в которых выраба­

тывается постоянный ток относительно низкого напряжения (термо-, и фотоэлектрические генераторы, топливные элементы, МГД-генера- торы); для использования этой энергии требуется преобразовать постоянный ток в переменный определенного уровня и частоты;

7) питание различных технологических установок, использующих нестандартную частоту (электротермия, ультразвуковая обработка, электромагнитное перемешивание и транспортировка жидких метал­ лов и др.).

269

7.2. Автономные инверторы

На рис. 7.1, а, б приведена принципиальная схема однофазного мостового инвертора тока и временные диаграммы токов и напряже­ ний. Инвертор состоит из четырех тиристоров VS1 — VS4, конденсато­ ра С, включенного параллельно нагрузке, дросселя L. Будем считать, что L « со, благодаря чему входной ток.идеально сглажен, а токи через тиристоры имеют прямоугольную форму. Конденсатор С обеспе­ чивает коммутацию тиристоров и компенсацию рективной мощности нагрузки (в общем случае нагрузка может иметь активно-индуктивный характер).

Система управления формирует управляющие импульсы, которые

270