Главная

Контакты

Случайная статья

• Автоматизация
• Антропология
• Археология
• Архитектура
• Биология
• Ботаника
• Бухгалтерия
• Военная наука
• Генетика
• География
• Геология
• Демография
• Деревообработка
• Журналистика
• Зоология
• Изобретательство
• Информатика
• Искусство
• История
• Кинематография
• Компьютеризация
• Косметика
• Кулинария
• Культура
• Лексикология
• Лингвистика
• Литература
• Логика
• Маркетинг
• Математика
• Материаловедение
• Медицина
• Менеджмент
• Металлургия
• Метрология
• Механика
• Музыка
• Науковедение
• Образование
• Охрана Труда
• Педагогика
• Полиграфия
• Политология
• Право
• Предпринимательство
• Приборостроение
• Программирование
• Производство
• Промышленность
• Психология
• Радиосвязь
• Религия
• Риторика
• Социология
• Спорт
• Стандартизация
• Статистика
• Строительство
• Технологии
• Торговля
• Транспорт
• Фармакология
• Физика
• Физиология
• Философия
• Финансы
• Химия
• Хозяйство
• Черчение
• Экология
• Экономика
• Электроника
• Электротехника
• Энергетика

Павлович С.Н. 5 страница

В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора W_к протекает так, импульсы которого имеют почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку W_вых трансформируются увеличенные по амплитуде импульсы той же формы и частоты. Далее эти импульсы выпрямляются с помощью однополупериодного выпрямителя.

Резистор RP_Б ограничивает ток базы транзистора VT (на нем после возбуждения колебаний создается смещение, сдвигающее рабочую точку транзистора в область меньших токов). 

Описанный преобразователь целесообразно применять при больших значениях U_вых и малых токах (для питания, например, высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках). Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание сердечника трансформатора, так как ток в его первичной обмотке протекает только в одном направлении. Поэтому такие автогенераторы используются при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.

Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют увеличить КПД и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает более постоянное выпрямленное напряжение.

Двухтактный преобразователь с самовозбуждением. Основными элементами преобразователя (рис. 5.3) являются: трансформатор, транзисторы VT₁ и VT₂, выпрямитель и сглаживающий фильтр (С₂). Трансформатор имеет первичную обмотку W_к, обмотку обратной связи W_Б и вторичную обмотку W_вых. Обмотки W_k и W_Б выполнены с отводами от средних точек. Сердечник трансформатора выполнен из материала, имеющего петлю гистерезиса, близкую по форме к прямоугольной (ферриты, пермаллой). Делитель напряжения R₁,R₂ служит для запуска устройства, а конденсатор С₁ – для улучшения условий работы транзисторов в моменты их включения.

Принцип действия. 1. При включении источника питания U_вх с резистора R₁ на оба транзистора подается напряжение (около 0,7 В), обеспечивающее отрицательное смещение потенциалов баз относительно эмиттеров. Транзисторы приоткрываются и по полуобмоткам W_к1 и W_к2 протекают токи. Вследствие неидентичности параметров транзисторов токи и магнитодвижущие силы полуобмоток будут различны, в результате чего в сердечнике трансформатора создается результирующий магнитный поток, индуктирующий ЭДС в полуобмотках W_Б1 и W_Б2 такой полярности (на рис. 9.3 показаны знаки без скобок), что к базе одного из транзисторов, например VT₁, прикладывается отрицательное напряжение, а к базе VT₂ – положительное. За счет такой (положительной) обратной связи возникает лавинообразный процесс по полному открыванию транзистора VT₁ и закрыванию транзистора VT2. В результате (почти мгновенно) транзистор VT₁ входит в режим насыщения, а VT₂ оказывается полностью закрытым. Через открытый транзистор VT₁ напряжение U_вх прикладывается только к полуобмотке W_к1.

Рис. 5.3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

2. Начинается (сравнительно медленно) линейное нарастание магнитного потока до значения насыщения + Ф_S. Как видно из рис. 5.4, а, магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным. Поэтому ЭДС во всех обмотках трансформатора исчезают, а соответственно и токи в них.

3. Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает в них ЭДС противоположной полярности (на рис. 5.3 показаны знаки в скобках). В результате на базе VT₁ появится «плюс» по отношению к эмиттеру и этот транзистор призакроется, а на базе VT₂ – «минус», что приводит к приоткрыванию этого транзистора и появлению коллекторного тока в полуобмотке W_К2. Это вызывает увеличение отрицательного напряжения на базе VT₂ и дальнейший рост коллекторного тока, т.е. происходит снова лавинообразный процесс очень быстрого переключения транзисторов: VT₂ войдет в режим насыщения, а VT₁ закроется и только к полуобмотке W_К2 прикладывается напряжение источника питания U_вх.

 4. Начинается линейное изменение магнитного потока от +Ф_S до – Ф_S (идет процесс перемагничивания сердечника трансформатора). Далее (рис. 5.4, а) магнитный поток почти не изменяется, ЭДС и токи в обмотках исчезают (или становятся весьма малыми).

Далее процесс повторяется с п.3.

Рис. 5.4. К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения: а –петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора; б – диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

Таким образом, процесс переключения транзисторов носит периодический характер и в течение одного периода получаемого на вторичной обмотке W_вых напряжения U_вых источник питания дважды подключается к полуобмоткам W_К. Переменное напряжение с выходной обмотки W_вых подается на выпрямитель .

Частота работы преобразователя зависит от напряжения источника питания, параметров схемы инвертора и тока нагрузки. С увеличением тока нагрузки она уменьшается, а в случае короткого замыкания в нагрузке генерация срывается. После устранения короткого замыкания схема вновь готова к работе.

Достоинства рассмотренной схемы: простота, отсутствие необходимости применения защиты от коротких замыканий в нагрузке, отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора, выходное переменное напряжение инвертора достаточно близко к прямоугольной форме. К недостаткам схемы относятся: зависимость частоты и формы выходного напряжения инвертора от величины входного напряжения и тока нагрузки, резкое увеличение коллекторного тока транзисторов в конце каждого полупериода, необходимость применения транзисторов, рассчитанных не менее чем на двойное допустимое напряжение на закрытом переходе эмиттер – коллектор.

При работе схемы рис. 5.3, когда один из транзисторов закрыт, напряжение между его коллектором и эмиттером составляет около 2U_вх.. Во время переключения транзисторов на коллекторе замыкаемого транзистора создается бросок напряжения выше 2U_вх  из-за индуктивности рассеяния трансформатора, которая резко изменяется при насыщении магнитопровода. Поэтому для защиты транзисторов от возможного пробоя их часто шунтируют стабилитронами (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема преобразователя напряжения с защитой транзисторов при перенапряжениях

Лекция 16. Тема 5.2.Полупроводниковые преобразователи напряжения с независимым возбуждением(2 часа)

В настоящее время наибольшее применение нашли преобразователи постоянного напряжения, инверторы которых выполнены по схемам с независимым возбуждением. В состав такого инвертора входят (рис. 5.6) задающий генератор и усилитель мощности. В качестве задающего генератора могут использоваться разнообразные автогенераторы, в том числе и инверторы с самовозбуждением. Выбор схемы усилителя мощности определяется в основном выходной мощностью. Например, для мощностей до 20 Вт широко применяются однотактные схемы, для больших мощностей – двухтактные.

Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя напряжения с независимым возбуждением (усилителя мощности)

 В двухтактной схеме (рис. 5.7, а) усилитель мощности выполнен на транзисторах VT₁, VT₂ и трансформаторе T₂. На базы транзисторов подается напряжение управления прямоугольной формы со вторичных обмоток трансформатора Т₁ задающего генератора 3Г. В течение первого полупериода открыт и находится в режиме насыщения один из транзисторов, допустим VT₁, а транзистор VT₂ закрыт. Напряжение питания U_вх через открытый транзистор прикладывается к верхней полуобмотке трансформатора Т₂. Во второй полупериод напряжение U_вх прикладывается через открытый транзистор VT₂ к нижней полуобмотке трансформатора Т₂.

Резисторы R_Б уменьшают влияние разброса параметров входных цепей транзисторов на режим их работы (значение R_Б должно быть больше R_вх транзистора).

Рис. 5.7. Двухтактная (а) и мостовая (б) схемы усилителей мощности на транзисторах

В рассмотренной схеме напряжение на закрытых триодах равно 2U_вх и на их коллекторах возможны выбросы напряжения более 2U_вх из-за индуктивности рассеяния трансформатора Т₂.

В мостовой схеме (рис. 5.6,б) в каждый полупериод управляющего напряжения работают по два транзистора: VT₁ и VT₃ ,VT₂ и VT₄. Полярность питающего напряжения U_вх, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора Т₂ через попарно включенные транзисторы, меняется каждый полупериод управляющего сигнала.

В данной схеме к закрытым транзисторам прикладывается напряжение, равное U_вх. Поэтому мостовые преобразователи применяются на большие мощности и при повышенном напряжении питания. В транзисторах отсутствуют броски коллекторного тока (трансформатор Т₂ работает без насыщения), что уменьшает рассеиваемую на транзисторах мощность и повышает КПД преобразователя.

Регулируемые преобразователи постоянного напряжения применяются в устройствах автоматического управления и регулирования параметров (например, частоты вращения электродвигателей и др.). На рис. 5.8 приведена схема мостового регулируемого преобразователя напряжения. Транзисторы схемы управляются от синхронно работающих 3Г₁ и 3Г₂ (работа 3Г₂ синхронизируется импульсами с 3Г₁, поступающими на вход 3Г₂ через фазосдвигающее устройства (ФСУ)). При изменении сигнала управления на входе ФСУ изменяется фаза управляющих импульсов с 3Г₂ относительно управляющих импульсов с 3Г₁. При угле сдвига между ними φ=0 схема работает как обычный нерегулируемый преобразователь мостового типа с независимым возбуждением.

Изменяя угол φ, изменяется длительность импульсов на выходе преобразователя и соответственно действующее и среднее значения напряжения U_вых.

Рис. 5.8. Принципиальная схема регулируемого преобразователя напряжения на транзисторах

Лекция 17. Тема 5.3.Преобразователи на тиристорах(1 час)

Тиристорные инверторы применяются в ИВЭП радио- и электросвязи, в электроприводе и т.п. В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов инверторы подразделяются на инверторы тока и инверторы напряжения. В инверторах тока осуществляется преобразование тока, а форма напряжения зависит от нагрузки; в инверторах напряжения определяющим фактором является напряжение, а форма тока зависит от параметров нагрузки. В инверторах напряжения выходное напряжение в режиме холостого хода почти не зависит от частоты преобразования и на форму напряжения почти не влияют коммутационные процессы. Коммутацию тока в тиристорных инверторах выполняют реактивные элементы – конденсаторы и дроссели.

В инверторах тиристоры работают в ключевом режиме. Включение тиристора обеспечивается устройством управления, которое своевременно подает на его управляющий электрод запускающие импульсы. Для выключения (запирания) тиристора необходимо прервать протекание через него прямого тока на время, достаточное для восстановления его запирающих свойств. Для этого в инверторе применяют так называемый коммутирующий конденсатор, который обеспечивает условия для запирания тиристора путем подачи на анод отрицательного по отношению к катоду напряжения.

На рис. 5.9 приведена схема двухтактного инвертора на двух тиристорах VS₁,VS₂ и трансформаторе Т с выводами средней точки 0 и точек 1 и 2, к которым подключаются обратные диоды VD₁ и VD₂ . Тиристоры управляются импульсами, находящимися в протофазе и вырабатываемыми системой управления СУ.

                      Рис. 5.9. Преобразователь напряжения на тиристорах

Инвертор работает следующим образом. Допустим, что в данный момент ток от источника U_п проходит через тиристор VS₁, а коммутирующий конденсатор С_к заряжен до напряжения 2U_п. На тиристор VS₂ подается управляющий импульс, который открывает его.

Потенциал точки А повышается практически до 2U_п, благодаря чему создается обратное напряжение на тиристоре VS₁ и он запирается. Это напряжение поддерживается конденсатором на время восстановления запирающих свойств VS₁ и далее конденсатор перезаряжается.

При подаче повторного отпирающего импульса на VS₁ схема возвращается в исходное состояние и процесс повторяется.

Через каждую половину вторичной обмотки трансформатора протекает импульсный ток, который передается в нагрузку R_н.

Диоды VD₁ и VD₂ необходимы для пропускания к источнику питания U_п реактивной мощности, накопленной в индуктивности нагрузки и в реактивных коммутирующих элементах в те промежутки коммутации, когда один из тиристоров закрыт, а второй не проводит разрядный ток индуктивности L.

В маломощных преобразователях диоды можно подключать не к отводам трансформатора, а непосредственно к анодам тиристоров через резисторы с малым сопротивлением (на рис. 5.9 показаны штриховой линией).

Инвертор с обратными диодами обладает рядом достоинств: устойчивость работы при изменении в широких пределах величины и характера нагрузки, малые масса и габариты (конденсатор и дроссель малые), возврат части реактивной энергии в источник постоянного напряжения.    

Тема 5.4.Преобразователи с бестрансформаторным входом в сетевых источниках электропитания(1 час)

В ИВЭП с бестрансформаторным входом используется повышенная рабочая частота в инверторах и фильтрах, а стабилизация выходного напряжения реализуется в инверторах методом ШИМ, что позволяет значительно снизить масса – габаритные показатели.

Широкое применение в рассматриваемых ИВЭП получила схема полумостового регулируемого инвертора (рис. 5.10). В ней совмещены функции промежуточного повышения частоты, импульсного регулирования напряжения и гальванической развязки входных и выходных цепей. Эти функции реализуются поочередным отпиранием транзисторов широтно-модулированным сигналом, длительность которого не превышает полупериода. На выходе транзисторов получается двухполярный широтно-модулированный сигнал повышенной частоты, который затем трансформируется, выпрямляется и фильтруется LC – фильтром.

Рис. 5.10. Функциональная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом на основе полумостового преобразователя

Другой вариант построения сетевых ИВЭП с бестрансформаторным входом состоит в использовании одноключевых трансформаторных импульсных регуляторов (рис.5.11). В первой схеме этапы накопления энергии и передачи ее в нагрузку разделены по времени, а во второй – на этапе накопления энергии осуществляется подзаряд выходного дросселя, а затем на этапе отдачи энергии накопленная в поле трансформатора энергия возвращается во входной трансформатор.

Рис. 5.11. Функциональные схемы ИВЭП с бестрансформаторным входом на основе одноключевых импульсных регуляторов с трансформаторной связью

Достоинством данных схем является их построение на одном силовом транзисторе, однако напряжение на транзисторе превышает амплитудное напряжение питающей сети (это недостаток).

Требования к элементной базе. Силовые транзисторы должны быть высоковольтными и высокочастотными (U_{кэ max доп} >350…400 В или U_{кэ max доп}>750…800 В – в зависимости от типа силового каскада; частота 50 – 100 кГц и выше ).

Выпрямительные диоды также должны быть высокочастотными (f ≥ 50…100 кГц) с малым временем установления t_уст и временем восстановления обратного сопротивления t_вост.

В современных ИВЭП применяются транзисторы 2Т809 и др., КТ812 и др.; диоды 29212 и др.; интегральные схемы К140, КР 140 – операционные усилители; стабилизаторы серии К142 и др.; конденсаторы К50, К53; при частотах преобразователя свыше 100 кГц – типов КМ, К10-17 и др.; дроссели на ферритах и молибденовых пермаллоях; трансформаторы типа ТП_р мощностью до 200 Вт (для преобразователей на частоте до 20 кГц).  

Лекция 18. Раздел 6.Устройства непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую энергию постоянного тока(2 часа)

К устройствам непосредственного преобразования энергии различного рода в электрическую энергию постоянного тока относятся :

Гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую;

Аккумуляторы, также преобразующие химическую энергию в электрическую, однако в отличие от гальванического элемента способность аккумулятора отдавать электрическую энергию может быть восстановлена путем его заряда от постороннего источника электрической энергии;

Термоэлектрические преобразователи, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую;

Фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи), в которых энергия светового потока преобразуется в электрическую;

Атомные батареи, в которых энергия внутриатомного распада преобразуется в электрическую;

Топливные элементы, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую.

  Тема 6.1. Гальванические элементы и аккумуляторы (1 час)

Гальванические элементы.Гальванические элементы являются первичными химическими источниками тока (ХИТ), в которых используются необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Они широко применяются в качестве источников питания постоянным током малогабаритной и переносной радиоаппаратуры.

При параллельном соединении элементов емкость батареи равна сумме емкостей элементов, входящих в нее, а при последовательном соединении – наименьшей емкости элемента, входящего в нее.

Емкость элемента – количество электричества, отдаваемое элементом при разряде и определяемое в ампер-часах.

Широко применяются марганцово-цинковые элементы и ртутно-цинковые.

Аккумуляторы. Аккумуляторы, как и гальванические элементы, относятся к устройствам непосредственного преобразования химической энергии в электрическую. В отличие от гальванических элементов аккумуляторы способны восстанавливать свою работоспособность по отдаче электрической энергии приемникам путем их заряда от постороннего источника электрической энергии. Поэтому аккумулятором называют прибор многократного действия, способный накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию. Он является вторичным химическим источником тока. Запас химической энергии в нем создается во время заряда от постороннего источника. Во время заряда аккумулятора материалы, входящие в его состав, преобразуются в такое состояние, при котором они могут вступать между собой в химическую реакцию с выделением электрической энергии. Таким образом, аккумуляторы накапливают электрическую энергию при их заряде и расходуют ее при разряде.

Аккумуляторы характеризуются следующими основными параметрами.

ЭДС аккумулятора Е, которая зависит от состава активной массы пластин, от температуры и концентрации (плотности) электролита. Измерение ЭДС аккумулятора производится вольтметром с большим входным сопротивлением (больше 1000 Ом/В). Поскольку ЭДС заряженного и частично разряженного аккумулятора может быть одинаковой, то по значению ЭДС судить о степени разряженности аккумулятора нельзя.

Напряжение аккумулятора – разность потенциалов между положительной и отрицательной пластинами при включенной нагрузке. Напряжение при заряде U_З = Е + I_З r₀ , а при разряде U_Р = Е - I_Р r₀ ,

 где I_З , I_Р – токи заряда, разряда в А; r₀ – внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом (оно определяется конструкцией электродов, плотностью электролита, степенью разряженности аккумулятора, окружающей температурой).

Номинальная емкость аккумулятора – это количество электричества в А×ч, которое он может отдать при десятичасовом режиме разряда, неизменном токе и температуре электролита +25 ^о С. Величина тока 10-часового режима разряда равна частному от деления номинальной емкости (С₁₀ ) на 10.

Аккумуляторы способны саморазряжаться, т.е. уменьшать свою емкость при разомкнутой цепи нагрузки. Интенсивность саморазряда зависит от температуры окружающей среды, состава электролита и материала электродов.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотными и щелочными.

Кислотные аккумуляторы. В корпусе (из эбонита или пластмассы) помещаются положительные и отрицательные электроды, смонтированные в блоки. Активной массой положительной пластины является двуокись свинца (РвО₂ ), а отрицательной – свинец (Рв). Электролитом является водный раствор серной кислоты. Номинальное напряжение кислотного аккумулятора равно 2,0 В. При заряде напряжение доводится до 2,6 – 2,8 В. В начале разряда напряжение быстро снижается до 2,2 В. Следует помнить, что разряжать кислотный аккумулятор ниже 1,8 В нельзя, так как в этом случае на отрицательных пластинах образуется трудно растворимый белый налет (происходит сульфатация аккумулятора). Для предохранения аккумулятора от сульфатации его рекомендуется заряжать каждые 30 дней, независимо от оставшейся емкости.

Недостатки кислотных аккумуляторов: сложность ухода и небольшая прочность, повышенная чувствительность к коротким замыканиям и перегрузкам, нельзя их помещать внутри РЭУ (испарения портят детали).

Промышленностью выпускаются кислотные аккумуляторы типа СК с номинальной емкостью от 36 до 5328 А×ч, например СК-148 (если это число 148 умножить на 36, то получится номинальная емкость 5328 А×ч).

Щелочные аккумуляторы. Они просты в обслуживании, их можно быстрее зарядить (4 – 7 ч вместо 10 – 12 ч для кислотных), можно располагать внутри РЭУ без вреда для них. Наиболее часто применяются щелочные аккумуляторы никель-кадмиевые (НК), никель-железные (НЖ) и серебряно-цинковые (СЦ). В качестве электролита применяют водный раствор едкого калия.

У щелочных аккумуляторов ЭДС равна 1,5 В (в разряженном аккумуляторе Е = 1,3 В). Средняя плотность электролита у щелочных аккумуляторов в процессе заряда и разряда примерно постоянная. Поэтому их состояние характеризуется в основном значением ЭДС.

Щелочные аккумуляторы выпускаются заводом без электролита. При приготовлении электролита необходимо соблюдать особую осторожность, так как при смешении едкого калия с водой выделяется большое количество тепла. Твердую щелочь разбивают на небольшие куски, накрыв при этом ее материалом, чтобы осколки не попали в глаза и на кожу. Щелочь опускают в воду кусочками, непрерывно помешивая раствор стеклянной или стальной палочкой.

                               Тема 6.2. Альтернативные источники питания (1 час)

Топливные элементы. В топливных элементах энергия взаимодействия топлива и окислителя непосредственно превращается в электрическую энергии. Топливный элемент состоит из двух пористых электродов, погруженных в раствор едкого калия (электролит). Извне к электродам поступают: топливо, в качестве которого используется водород, пропан, метан и др., и окислитель (кислород, хлор, воздух, фтор, кислота). Топливо под действием окислителя, не выделяя дыма или газа, сгорает без пламени. В результате окисления топлива на электроде окислителя (кислорода) накапливаются ионы, а на электроде восстановителя (водород) – электроны, что создает разность потенциалов между электродами от 1 до 2 вольт (в зависимости от типа).

Термоэлектрические генераторы. Они состоят из термобатарей, источников тепловой энергии и устройств, которые осуществляют подачу тепла к термобатарее и охлаждение определенных ее элементов. Практическое применение получили термоэлементы, состоящие из полупроводниковых материалов с разной проводимостью (типа n и  p). Отечественной промышленностью выпускаются термоэлектрические генераторы различных типов, например УГМ-200К, УГМ-200Т мощностью до 200 Вт. В качестве горючего в них используется природный или сжиженный газ.

Солнечные батареи. Они успешно используются на космических аппаратах. В основе работы кремниевого фотоэлемента (ФЭ) лежит явление фотоэффекта: падающий на поверхность ФЭ световой поток частично поглощается им, возникают пары «электрон – дырка» и на электродах с различной проводимостью возникает разность потенциалов, которая зависит от степени освещенности и от свойств полупроводниковых материалов.

Атомные батареи. Атомными (ядерными) батареями называют преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую энергию. Первоначально атомные батареи создавались на базе радиоактивного распада вещества (но они маломощны). Для увеличения мощности в них используют ионизацию газа. Более эффективны атомные батареи, действие которых основано на умножении носителей зарядов (с использованием радиоактивного стронция) в полупроводниковых материалах .

Существенным недостатком атомных батарей является наличие как b-частиц, так и сильно проникающих ¡–лучей, защита от которых весьма сложна.