ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Назначение. Преобразователи напряжения постоянного тока предназначаются для согласования напряжения источника питания с напряжениями, необходимыми для питания отдельных узлов аппаратуры. В переносной и передвижной аппаратуре РЭС и средствах связи, потребляющей небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются источники постоянного тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Они вырабатывают энергию постоянного тока одного определенного значения. А для питания различных радиоэлектронных устройств требуются различные значения постоянного и переменного напряжений. Поэтому возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют преобразователи [121].

Преобразователи бывают двух типов: инверторы и конверторы. Преобразователи, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока, называются инверторами, а процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока — инвертированием.

Если на выходе преобразователя требуется получить постоянный ток, то после инвертора включаются выпрямитель и сглаживающий фильтр. Такой преобразователь, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока одного напряжения вэнергию постоянного токадругого напряжения, называется конвертером, а процесс преобразования — конвертированием.

Основной частью любого преобразователя является инвертор. Классифицировать инверторы можно по следующим признакам:

• • по роду преобразуемой величины — инверторы тока и инверторы напряжения;
• • по тактности работы — однотактные и двухтактные;
• • по типу ключевых элементов — транзисторные и тиристорные;
• • по способу возбуждения — с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Транзисторные инверторы классифицируют:

• • по способу включения транзисторов — с общим эмиттером и с общим коллектором;
• • по типу обратной связи — с обратной связью по напряжению, с обратной связью по току и с обратной связью по току и напряжению.

Тиристорные инверторы классифицируют:

• • по принципу коммутации тиристоров — ведомые сетью и автономные;
• • по включению коммутирующей емкости относительно нагрузки — параллельные, последовательные и последовательнопараллельные.

Транзисторный преобразователь является также центральным функциональным узлом в источниках питания с бестранс-форматорным входом (ИПБВ), потребляющих энергию от сети переменного тока промышленной частоты. При этом в источниках питания находят применение как однотактные, так и двухтактные транзисторные преобразователи [59].

Достоинства полупроводниковых преобразователей: надежность, высокий КПД, малые габариты, большой срок эксплуатации.

Однотактный преобразователь выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 16.1.

Здесь транзистор УТ, работающий в режиме переключений, с трансформатором ТУ и цепью положительной обратной связи ОС образуют автогенератор (блокинг-генератор). Последний преобразует входное постоянное напряжение питания ?/„ в прямоугольные импульсы определенной длительности и частоты. При открытом транзисторе к первичной обмотке трансформатора прикладывается входное напряжение питания ?/,„ в трансформаторе запасается энергия, которая при закрытом транзисторе поступает на вход выпрямителя В. Фильтр Ф сглаживает пульсацию выпрямленного напряжения и0 на нагрузке Яи.

Двухтактный преобразователь выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 16.2, на транзисторах УТ и УТ2, к коллекторам которых подключена первичная обмотка трансформатора ТУ. Источник входного напряжения питания ип подключается к эмиттерам транзисторов и среднему выводу первичной обмотки трансформатора.

Рис. 16.2. Структурная схема двухтактного преобразователя

При включении напряжения питания ?/„ в автогенераторе возникают колебания и постоянное напряжение ?/п преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы, которое затем выпрямляется выпрямителем В и сглаживается фильтром Ф. В источниках питания находят применение два типа двухтактных автогенераторов: с насыщающимся и ненасыщающимся силовым трансформатором.

В автогенераторах с насыщающимся силовым трансформатором переключение транзисторов осуществляется за счет смены полярности напряжения на обмотках трансформатора в момент насыщения сердечника. В этих преобразователях цепь обратной связи ОС (базовые обмотки) находится на общем маг-нитопроводе трансформатора питания. Частота преобразования определяется параметрами трансформатора и напряжением на его первичной (коллекторной) обмотке. Основным недостатком таких преобразователей является резкое увеличение тока через открытый транзистор в момент насыщения, что вызывает дополнительные потери мощности в транзисторах.

В автогенераторах с ненасыщающимся силовым трансформатором переключение транзистора осуществляется за счет введения в цепь обратной связи ОС дополнительных элементов, которые переключают транзистор до насыщения трансформатора. В качестве таких переключающих элементов может использоваться маломощный переключающий трансформатор, дроссель насыщения или /?С-цепи.

Двухтактные преобразователи с насыщающимся и ненасыщающимся трансформаторами ввиду их простоты и высокой надежности широко используются в источниках питания с выходной мощностью до нескольких десятков ватт.

Преобразователь с усилителем мощности выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Структурная схема преобразователя с усилителем мощности

В преобразователь входят два функциональных узла: усилитель мощности УМ и задающий генератор ЗГ, который управляет режимом переключения транзисторов усилителя мощности. Трансформатор ТУ, выпрямитель В и фильтр Ф, обеспечивающие постоянное напряжение и0 в нагрузке, подключаются к усилителю мощности, который обычно выполняется по двухтактной или мостовой схеме на мощных транзисторах. В качестве задающего генератора, который управляет переключением силовых транзисторов усилителя мощности, используются рассмотренные выше двухтактные преобразователи с самовозбуждением. В высокочастотных преобразователях используются автогенераторы на операционных усилителях или на логических элементах с внешними /?С-цепями, задающими частоту преобразователя до 200 кГц и выше.

Достоинством преобразователей с усилителем мощности является отсутствие влияния изменения нагрузки и входного питающего напряжения на частоту преобразования; в них также просто организуется управление работой силовых транзисторов по любому требуемому закону.

В транзисторных преобразователях, выполненных по рассмотренным структурным схемам, выходное напряжение ?/0 зависит от изменения входного питающего напряжения ип или тока нагрузки. Стабилизация выходного напряжения реализуется в специальных схемах стабилизирующих преобразователей.

Преобразователи с входным стабилизатором напряжения выполняются по структурной схеме, приведенной на рис. 16.4.

Рис. 16.4. Структурная схема преобразователя с входным стабилизатором напряжения

Централизованный стабилизатор СН[, на вход которого подается напряжение питающей сети постоянного тока УП, обеспечивает стабильное напряжение ип1, от которого питается преобразователь ПН. Источник, выполненный по структурной схеме на рис. 16.4, может быть одно- или многоканальным. Выходное напряжение и01 после выпрямителя В) и фильтра Ф[ имеет точность не лучше 3—5% . Для получения более высокой стабильности (0,1 — 1%) после выпрямителя по второй цепи включаются В2, Ф2 и непрерывный стабилизатор СН2. Преобразователи с входным стабилизатором широко применяются в многоканальных ИВЭ. При этом в зависимости от выходной мощности применяются различные типы стабилизаторов. Преобразователи с входным непрерывным стабилизатором используются при выходной мощности от долей до единиц ватт. Стабильное напряжение питания и п 1 ?/п, следовательно, потребляемый преобразователем ток меньше тока понижающего стабилизатора при одинаковой выходной мощности.

Преобразователи с входным стабилизатором генерируют переменное напряжение прямоугольной формы, что позволяет существенно уменьшить массу и габариты сглаживающих фильтров. Это особенно важно для многоканальных ИВЭ с маломощными выходными цепями.

Регулируемый преобразователь выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 16.5, а, в которой реализуется одновременно две функции — преобразование и стабилизация напряжения.

Рис. 16.5. Структурная схема стабилизирующего преобразователя с широтно-импульсной модуляцией

Преобразователь, состоящий из задающего генератора ЗГ и усилителя мощности УМ, управляется схемой СУ, в состав которой входит широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Выходное прямоугольное переменное напряжение преобразователя имеет паузу на нуле /п (рис. 16.5, б), изменением которой и достигается стабильность по среднему значению выходного выпрямленного напряжения. Измерительный элемент ИЭ включен по одной выходной цепи (В2, Ф2). При возрастании выходного напряжения ин2, например, за счет увеличения входного напряжения ип или уменьшения тока нагрузки, выделенный в ИЭ сигнал поступает в схему управления СУ, где ШИМ увеличивает длительность паузы /п так, что выходное напряжение ин2 остается стабильным с определенной степенью точности.

Наличие паузы с переменной длительностью в выходном напряжении преобразователя определяет требования к сглаживающему фильтру выпрямленного напряжения, который должен начинаться с индуктивности в каждой выходной цепи. Наличие /.С-фильтров, а также то, что слежение ведется только за одной выходной цепью, определяют область рационального применения регулируемых преобразователей в одноканальных ИВЭ или в многоканальных ИВЭ, имеющих одну мощную выходную цепь, за которой ведется слежение, и две-три маломощных цепи, на выходе которых устанавливаются непрерывные стабилизаторы.

Регулируемый преобразователь с бестрансформаторным входом, структурная схема которого приведена на рис. 16.6, работает от сети переменного тока, напряжение ис которой подается непосредственно на выпрямитель В| с фильтром Фь без входного силового трансформатора; за счет этого существенно уменьшаются масса и габариты ИВЭ.

Рис. 16.6. Структурная схема регулируемого преобразователя с бестрансформаторным входом

Выпрямленное напряжение ?70 преобразуется стабилизирующим преобразователем СП, который работает на высокой частоте 20—60 кГц, поэтому трансформатор ТУ, обеспечивающий требуемый уровень выходного напряжения, имеет малые массу и габариты. Стабилизация выходного напряжения реализуется в преобразователе СП, например, с помощью ШИМ.