Павлович С.Н. 1 страница

Министерство образования Республики Беларусь

УО МГВРК

Павлович С.Н.

Источники питания радиоэлектронных устройств

Курс лекций

для учащихся дневной формы обучения специальностей 2-39 02 02 «Проектирование и производство радиоэлектронных средств», 2-39 02 31 «Техническая эксплуатация радиоэлектронных средств»

Минск 2009

УДК 621.31(075)

ББК 32.889

Составитель:

С.Н.Павлович, профессор кафедры общетехнических дисциплин МГВРК

Рецензент:

Б.И.Фираго, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация

промышленных установок и технологических комплексов» БНТУ,

доктор технических наук, профессор;

Источники питания радиоэлектронных устройств: электронное учебное пособие / сост. С.Н.Павлович. – Мн.:МГВРК, 2009. – 60 с.

ISBN 985-6754-16-Х

Приведен курс лекций, читаемых автором в соответствии с утвержденной учебной программой дисциплины для учащихся дневной формы обучения специальностей 2-39 02 02 «Проектирование и производство радиоэлектронных средств», 2-39 02 31 «Техническая эксплуатация радиоэлектронных средств».

УДК 621.31(075)

ББК 32.889

Содержание

Лекция 1. Введение ...................................................................................................................... 3

Раздел 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ .......................................................................................................7

Лекция 2. Тема 1.1. Однофазные трансформаторы .................................................................7

Лекция 3. Тема 1.2. Трехфазные трансформаторы. Автотрансформаторы.

Особенности работы трансформаторов в источниках вторичного

электропитания ....................................................................................................... 11

Раздел 2.Выпрямители с активной и реактивной нагрузкой....................................... 14

Лекция 4. Тема 2.1. Неуправляемые и управляемые полупроводниковые вентили .....................14

Лекция 5. Тема 2.2. Выпрямители с активной нагрузкой ....................................................17

Лекция 6. Тема 2.3. Выпрямители с емкостной нагрузкой ................................................................23

Лекция 7. Тема 2.4. Выпрямители с индуктивной и смешанной нагрузкой....................................27

Лекция 8. Тема 2.5. Управляемые выпрямители на тиристорах ...............................................29

Раздел 3.Сглаживающие фильтры.................................................................................................... 32

Лекция 9. Тема3.1. Реактивные фильтры ................................................................................32

Лекция 10. Тема 3.2. Активные фильтры ..................................................................................36

Раздел 4. Стабилизаторы напряжения.....................................................................................37

Лекция 11. Тема 4.1.Параметрические стабилизаторы ..................................................................37

Лекция 12. Тема 4.2.Компенсационные стабилизаторы............................................................... 39

Лекция 13. Тема 4.3.Стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении................................42

Лекция 14. Тема 4.4.Импульсные стабилизаторы напряжения .........................................................43

Раздел 5.Преобразователи постоянного напряжения............................................47

Лекция 15. Тема 5.1.Полупроводниковые преобразователи с самовозбуждением ...........47

Лекция 16. Тема 5.2.Полупроводниковые преобразователи напряжения

с независимым возбуждением .............................................................................................52

Лекция 17. Тема 5.3.Преобразователи на тиристорах..............................................................54

Тема 5.4. Преобразователи с бестрансформаторным входом в сетевых

источниках электропитания ................................................................................. 55

Раздел 6.Устройства непосредственного преобразования различных

видов энергии в электрическую энергию

постоянного тока ........................................................................................................57

Лекция 18. Тема 6.1. Гальванические элементы и аккумуляторы........................................ 57

Тема 6.2. Альтернативные источники питания ....................................................59

Литература ................................................................................................................................................ 60

Приложение 1 ................................................................................................................................ 60

Лекция 1.Введение

Цель и задачи изучения дисциплины. Целью изучения дисциплины «Источники питания радиоэлектронных устройств» является формирование знаний по устройству, принципам работы и основным характеристикам и параметрам, области применения источников питания и их экспериментальных исследований.

Современный выпускник колледжа должен представлять элементную базу источников питания, понимать принцип работы их отдельных узлов по принципиальным электрическим схемам.

Успешное изучение и усвоение учебного материала базируется на знаниях, приобретенных при изучении теоретических основ электротехники, электроники и микроэлектроники, электрорадиоэлементов и устройств функциональной электроники. В результате изучения дисциплины учащиеся должнызнать:

– устройство, принцип действия, характеристики и параметры, область применения, особенности конструкций современных вторичных источников питания и их функциональных узлов;

– способы защиты вторичных источников питания от перегрузок, коротких замыканий, различного рода помех;

– достоинства и недостатки вторичных источников питания радиоэлектронных устройств;

должны уметь:

– производить расчет параметров отдельных функциональных узлов и всего устройства в целом;

– выбирать элементную базу источников электропитания;

– собирать электрические схемы и выполнять эксперименты по исследованию вторичных источников электропитания;

– осуществлять анализ работы устройств питания по структурным, функциональным и принципиальным электрическим схемам.

Для закрепления теоретического материала и приобретения практических навыков и умений программой предусмотрено выполнение ряда практических и лабораторных работ на макетах или стендах с элементной базой, позволяющей собирать различные схемы выпрямителей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов и преобразователей напряжения.

Для контроля знаний за усвоением учебного материала предусмотрено проведение одной обязательной контрольной работы.

Системы электропитания РЭУ. Для нормального функционирования различных радиоэлектронных устройств (РЭУ), используемых в вычислительных комплексах, системах телекоммуникаций, робототехнических установках и др., необходимы соответствующие системы электропитания (СЭП). Под СЭП понимается определенная совокупность элементов и устройств, вырабатывающих электрическую энергию (ЭЭ) или преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы РЭУ. Поэтому существующая классификация предусматривает деление СЭП на 2 вида: 1) источники первичного электропитания и 2) источники вторичного электропитания.

Источником первичного электропитания (ИПЭП) называется устройство, которое преобразует различные виды энергии (механическую, химическую, тепловую, световую или энергию внутриатомного распада) в электрическую. К ним соответственно относятся: электромашинные генераторы, гальванические элементы, термоэлектрические генераторы, солнечные и атомные батареи.

Источником вторичного электропитания (ИВЭП) называется устройство, которое использует ЭЭ, получаемую от ИПЭП, и преобразовывает ее во вторичное электропитание РЭУ. Источники вторичного электропитания состоят из отдельных узлов, выполняющих одну или несколько функций, например выпрямление, стабилизацию, регулирование, усиление, инвертирование.

Структурные схемы ИВЭП. К простейшим ИВЭП относятся нерегулируемые выпрямители, выполняемые по структурной схеме, представленной на рис. В.1, а. Силовой трансформатор Т преобразует напряжение питающей сети переменного тока до требуемого значения; схема выпрямления В преобразует переменное напряжение в пульсирующее; фильтр Ф сглаживает пульсирующее напряжение до допустимого (требуемого) уровня. В нерегулируемых выпрямителях выходное напряжение зависит от колебаний питающего напряжения и от изменения тока нагрузки. Такие выпрямители широко используются в промышленной и бытовой радиоэлектронике.

Для обеспечения стабилизированного выходного напряжения схема нерегулируемого выпрямителя дополняется стабилизатором напряжения СН, который включается на входе или на выходе выпрямителя (рис. В.1, б), в качестве которого могут применяться непрерывные (НСН) или импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН).

Рис. В.1. Нерегулируемые выпрямители

В регулируемых выпрямителях (рис. В.2) совмещаются функции выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения (рис. В.2, а) осуществляется путем изменения угла открывания силовых тиристоров, а в режиме стабилизации выходного напряжения (рис. В.2, б) управляющие сигналы тиристоров формируются контуром автоматического регулирования с обратной связью.

Рис. В.2. Регулируемые выпрямители

В настоящее время достаточно широко применяются ИВЭП с бестрансформаторным входом (рис. В.3), которые имеют уменьшенные массогабаритные показатели. В схеме на рис. В.3, б в отличие от рис. В.3, а функции ИСН и инвертора совмещены в регулируемом инверторе.

Рис. В.3. Сетевые источники электропитания с бестрансформаторным входом

В современной технике широко используются ИПЭП постоянного тока, к которым относятся химические источники тока, термогенераторы, топливные элементы, солнечные и атомные батареи. Применение таких источников ЭЭ позволяет выполнять радиоаппаратуру переносной, устанавливать ее на подвижных автономных объектах, удаленных от промышленных электросетей.

Рис. В.4. Источники вторичного электропитания, работающие от автономных источников постоянного тока

Основным функциональным узлом в ИВЭП постоянного тока является инвертор И (рис. В.4), преобразующий напряжение постоянного тока первичного источника в переменное напряжение прямоугольной или ступенчатой формы. На рис. В.4, а приведена структурная схема простейшего одноканального ИВЭП такого типа, предназначенного для питания нагрузки постоянным током. В нем переменное напряжение прямоугольной формы с выхода инвертора И преобразуется схемой выпрямления В и фильтром Ф в постоянное напряжение. Основным его недостатком является низкая стабильность выходного напряжения. Этого недостатка лишены стабилизирующие ИВЭП (рис. В.4, б).

Практические схемы ИBЭП кроме основных функциональных узлов содержат устройства контроля, защиты, блокировки, сигнализации неисправностей, а также коммутационные элементы (кнопки, выключатели и др.).

В заключение заметим, что в настоящее время в целях экономного расхода ЭЭ является актуальной задача создания экономичных, дешевых и надежных ИВЭП. В последующих разделах будут рассмотрены схемы, принцип действия, параметры и характеристики основных функциональных узлов ИВЭП.

Раздел 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ(4 часа)

Лекция 2.Тема 1.1. Однофазные трансформаторы(2 часа)

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

В системах электропитания РЭУ (сетевые приемники, телевизоры, блоки питания передатчиков и др.) используются трансформаторы малой мощности: однофазные – до 4 кВ×А и трехфазные - до 5 кВ×А.

Рассматриваемые трансформаторы питания классифицируют по следующим признакам:

* по числу фаз преобразуемого напряжения – однофазные и трехфазные;

* по числу обмоток – двухобмоточные и многообмоточные;

* по конфигурации магнитопровода – стержневые (собирают из пластин прямоугольной формы одинаковой толщины), броневые (из пластин Ш-образной формы и прямоугольных пластин, замыкающих Ш-образные пластины) и тороидальные (из штампованных колец, покрытых изолирующим лаком).

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной (рис.1.1). Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердечники собирают из тонких (0,3-0,5 мм) пластин специальной трансформаторной стали (эта сталь характеризуется узкой петлей гистерезиса и большим электрическим сопротивлением). Пластины изолируют друга от друга путем покрытия их изолирующими лаками.

Если к первичной обмотке подвести переменное напряжение U₁, то в ней появится некоторый ток i_o₁, который в сердечнике создает переменный магнитный поток Ф_o . Этот поток (по закону электромагнитной индукции) наведен в обоих обмотках ЭДС е₁и е₂:

где W_{1 ,} W₂ - числа витков в первичной и вторичной обмотках соответственно.

Рис. 1.1. Однофазный трансформатор

Если приложенное напряжение U₁= U _m₁sin ωt , то в идеальном трансформаторе (без потерь) его первичная обмотка будет представлять собой чистую индуктивность. Поэтому ток будет отставать по фазе от напряжения на /2 (рис. 1.2):

                 i _o1= I_o1msin (ωt - /2) ,

а магнитный поток будет совпадать по фазе с создающим его током:

                 Ф_o₌Ф_m sin(r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">

Тогда ЭДС е₁и е₂ будут равны:

е₁= - W₁ω Ф_m sinωt = - E _m₁sinωt ;

е₂= - W₂ω Ф_m sinωt = - E _m₂sinωt .

Рис. 1.2. Векторная диаграмма идеального трансформатора

Поскольку для идеального трансформатора (в соответствии со вторым законом Кирхгофа)   u₁= -e₁ и u₂= е₂, то

  Iu₁/ u ₂I = e₁ / e₂     или U ₁/ U ₂ = E _m2/ E _m1= W₂/ W₁= n ₁₂,

где n ₁₂ – коэффициент трансформации.

Отсюда видно, что отношение действующих значений напряжений на вторичной и первичной обмотках трансформатора равно отношению чисел витков в этих обмотках.

Таким образом, электрическая энергия из первичной обмотки передается во вторичную с помощь переменного магнитного потока (при отсутствии гальванической связи между обмотками). Обмотка трансформатора с большим числом витков (с большим напряжением) называется обмоткой высшего напряжения, а обмотка с меньшим числом витков (с меньшим напряжением) - обмоткой низшего напряжения. В зависимости от способа включения обмоток с питающей сетью один и тот же трансформатор может работать как повышающий или понижающий трансформатор.

Режимы работы трансформатора. Потери энергии и КПД трансформатора. Если вторичная обмотка трансформатора разомкнута, такой режим работы называют режимом холостого хода (рис. 1.3), а если во вторичную обмотку включена нагрузка – рабочим режимом (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Схема однофазного трансформатора Рис. 1.4. Схема однофазного трансфор-

в режиме холостого хода матора в режиме нагрузки

В режиме холостого хода основной магнитный поток в сердечнике Ф_о создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, которая уравновешивает большую часть приложенного напряжения. Когда во вторичную обмотку включают нагрузку, то в ней появляется ток i₂. Этот ток создает свой магнитный поток в сердечнике Ф₂, который по знаку противоположен (по правилу Ленца) магнитному потоку Ф_1,создаваемому первичной обмоткой (рис. 1.4). В результате суммарный магнитный поток в сердечнике уменьшится, что приведет к уменьшению ЭДС е₁в первичной обмотке. Вследствие этого часть приложенного напряжения U₁ окажется неуравновешенной. Поэтому увеличится ток в первичной обмотке. И он будет возрастать до тех пор, пока не прекратится размагничивающее действие тока нагрузки. После этого суммарный магнитный поток восстановится примерно до прежнего значения Ф_o .

При увеличении сопротивления вторичной обмотки уменьшаются ток I₂ и магнитный поток Ф₂, что приводит к возрастанию суммарного потока и ЭДС е_1. В результате нарушится равновесие между приложенным напряжением U_{1 и}ЭДС е₁; их разность уменьшится, а следовательно, уменьшится и ток I₁ до такого значения, при котором суммарный магнитный поток вернется к прежнему значению.

Таким образом, магнитный поток в трансформаторе остается практически постоянным как в режиме холостого хода, так и в рабочем режиме с переменной нагрузкой. Это свойство трансформатора называют способностью саморегулирования, т.е. способностью автоматического регулирования значения первичного тока при изменении тока нагрузки I₂.

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями. Они обусловлены явлением гистерезиса, вихревыми токами, потоками рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмоток.

Как известно, ферромагнитные материалы состоят из небольших областей самопроизвольного намагничивания, которые называются доменами. Магнитные моменты всех доменов по всему объему ориентированы беспорядочно. Поэтому результирующий магнитный момент равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля.

Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, то домены получают ориентацию в направлении поля (ферромагнетик намагничивается).

Если ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, создаваемое переменным током, то ферромагнетик будет циклически перемагничиваться с частотой переменного тока. При этом домены будут менять свою ориентацию с такой же частотой. При переориентациях доменов совершается работа за счет внутреннего трения доменов друг о друга. Эта работа идет на нагревание сердечника.

Вихревые токи (или токи Фуко), возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, создаются и в сердечнике трансформатора. Они также нагревают его и приводят к потерям энергии. Так как вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку, то для их уменьшения (и уменьшения соответственно потерь энергии) сердечники трансформаторов набирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Как известно, в ферромагнетике при циклическом перемагничивании магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. При этом при каждом перемагничивании сердечника затрачивается работа, пропорциональная площади петли гистерезиса. Поэтому для уменьшения потерь на гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из специальной электротехнической стали, имеющей узкую петлю гистерезиса.

Потоки рассеяния (например Ф₁_d на рис. 1.3) в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков обмотки. Эти потоки составляют около одного процента от основного магнитного потока.

Активное сопротивление обмоток создает потери за счет активных токов, нагревающих обмотки. Для их уменьшения обмотки трансформаторов выполняют в основном из меди.

Коэффициент полезного действия трансформатора. Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора – это отношение отдаваемой активной мощности Р₂ к потребляемой из сети Р₁:

η = Р₂/ Р₁· 100 % .

Таким образом, для практического определения КПД трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности в первичной и вторичной обмотках. Это измерение упрощается, включив во вторичную обмотку активную нагрузку. Тогда cos φ = 1 (поток рассеяния

невелик), а мощность Р₂ можно вычислить по показаниям амперметра и вольтметра, включенных во вторичную обмотку. Такой метод определения КПД называется методом непосредственных измерений. Он прост, но имеет существенные недостатки: малую точность и неэкономичность. Первый из них обусловлен тем, что КПД промышленных трансформаторов высок (до 99%), поэтому мощности Р₂ и Р₁ мало отличаются по величине, а незначительные ошибки в показаниях приборов приводят к большим ошибкам в значении КПД. Неэкономичность этого способа связана с большим расходом электроэнергии при опыте, так как трансформатор нагружают до номинальной мощности.

На практике КПД трансформатора определяют косвенным методом (путем раздельного определения потерь), так как η = Р₂/ (Р_{2 +}Р_СТ+ Р_М) · 100 % ,

где Р_ст – потери в стали ( в сердечнике), а Р_м - потери в меди (в обмотках), которые измеряют в опытах холостого хода и короткого замыкания соответственно.

В опыте холостого хода (рис. 1.5, а) на первичную обмотку подают номинальное напряжение, а вторичную обмотку оставляют разомкнутой. Так как магнитный поток в трансформаторе практически постоянный (как в режиме холостого хода, так и в рабочем режиме), то потери в стали являются величиной постоянной. Их измеряют ваттметром, включенным в первичную обмотку. Правда, при этом не учитываются потери на нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но этот ток невелик, и потери от него также невелики. В этом опыте определяются также коэффициент трансформации К и ток холостого хода I₀₁.

Рис. 1.5. Схема включения трансформатора при опыте холостого хода (а) и при опыте короткого замыкания (б)

Если вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а на первичную обмотку подают такое пониженное напряжение, при котором токи в обмотках равны номинальным значениям, то потребляемая из сети электроэнергия расходуется в основном на тепловые потери в проводах обмоток трансформатора (рис. 1.5, б). А потери в стали при этом очень малы, так как при пониженном напряжении магнитный поток очень мал. Такой опыт называют опытом короткого замыкания. Следовательно, ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора в данном опыте, покажет мощность, соответствующую потерям в меди.

Лекция 3.Тема 1.2. Трехфазные трансформаторы. Автотрансформаторы. Особенности работы трансформаторов в источниках вторичного электропитания(2 часа)

Для преобразования тока трехфазной системы можно воспользоваться группой из трех однофазных трансформаторов (рис. 1.6, а), обмотки которых могут быть соединены либо звездой, либо треугольником. В этом случае каждый трансформатор работает независимо от остальных как обычный однофазный трансформатор, включенный в одну из фаз трехфазной системы.

На практике чаще применяют трехфазные трансформаторы, выполненные на одном магнитопроводе (рис. 1.6, б). При этом три магнитных потока, возбуждаемые токами в первичных обмотках, замыкаются через два других стержня сердечника.

При изготовлении трехфазных трансформаторов на каждый стержень его сердечника размещают по две обмотки: низкого напряжения, а поверх нее – высокого напряжения. Выводы обмоток обозначают так: начала обмоток для высокого напряжения – заглавными буквами латинского алфавита А, В и С и строчными буквами а, b и с - для низкого напряжения; концы обмоток – буквами X, У, Z - для обмоток высокого напряжения и буквами x, у, z – для обмоток низкого напряжения.

Рис. 1.6. К трансформированию трехфазного тока: а – трансформаторная группа; б - трехфазный трансформатор; в – трехстержневой магнитопровод; г – векторные диаграммы

12 3 4 5 6 Следующая ⇒