Uвх T= Uвых (TT): Uвых = Uвх /(1).
Величина выходного напряжения может быть больше входного, если >0,5 и меньше входного, если <0,5. По мере повышения частоты переключения регулирующего транзистора происходит увеличение относительной длительности процессов рассасывания избыточных носителей в базе VT и диода. Это может привести к нарушению устойчивой работы и переходу к режиму автоколебаний. При этом возрастают динамические потери в элементах стабилизатора и уменьшается его КПД. Коммутационные процессы приводят к изменению формы прямоугольных импульсов токов и напряжений (затягиваются передний и задний фронты), но это не столь существенно. Хуже то, что VT испытывает большую кратковременную перегрузку по току. Когда на базу закрытого VT поступает управляющий импульс, открывающий его, iк начинает нарастать, а ток через блокирующий диод VD убывать. Поскольку VD еще открыт, транзистор работает в режиме короткого замыкания и к нему приложено Uвх. При этом Iк может в 5-10 раз превосходить Iн. Таким образом, инерционность реальных диодов является основной причиной коммутационных перегрузок регулируемых транзисторов. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства транзистора и хуже быстродействие диода. Приходится выбирать более мощный транзистор, использование которого по току будет низким. Для уменьшения перегрузок в коллекторную или эмиттерную цепи вводят токоограничивающие элементы. Введение дополнительного дросселя в коллекторную цепь показано на рис. 7
Рис. 7
Lдоп уменьшает скорость нарастания тока коллектора Rдоп обеспечивает запирание VDдоп к моменту открывания транзистора VT. Разряд дросселя происходит при закрытом транзисторе через диод VDдоп на Rдоп. В коллекторную или эмиттерную цепь может быть введен двухобмоточный дроссель (риc 8)
Рис. 8
Электромагнитная энергия, накопленная в Lдоп, при протекании тока через транзистор возвращается обратно в источник при закрытом VT. По сравнению с предыдущим случаем КПД стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в Rдоп. При протекании тока через VDдоп Uкэмакс= Uвх + Uвх W1/W2. Для уменьшения Uкэмакс соотношение между W1 и W2 должно быть W2 (5-10)W1. При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде Uдоп=(5-10) Uвх.
С целью уменьшения Uкн, tвкл и Iкэ0 запирание регулируемого транзистора производится подключением к переходу база-эмиттер источника запирающего напряжения (рис. 9,а).
Рис. 9
Когда VT1 открыт, VT2 закрыт, C1 заряжается током базы Iб1. При отпирании VT2 Uc1 закрывает VT1. Однако Uc1 может изменяться в зависимости от величины входного напряжения и уменьшаться, разряжаясь на R1. Поэтому вместо R1 включают стабилитрон или диоды в прямом направлении (рис. 9,б). Хотя импульсные стабилизаторы экономичнее линейных, им присущи некоторые недостатки, основными из которых являются:
1) повышенное значение коэффициента пульсаций выходного напряжения (у релейных до 10-20%, с ШИМ - 0.1-1% );
2) большое динамическое внутреннее сопротивление, то есть падающая внешняя характеристика;
3) большие помехи, создаваемые стабилизатором, для ослабления которых на входе и выходе включаются дополнительные фильтры.
Это определяет их область применения: в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются малый вес и габариты, но допускаются значительные пульсации выходного напряжения.
В настоящее время выпускается три разновидности интегральных микросхем (ИМС) импульсных стабилизаторов:
1) импульсные стабилизаторы повышающего типа, с питанием от низкого входного напряжения от 2 до 12В, с минимальной рассеиваемой мощностью и встроенным полевым транзистором (серия стабилизаторов 1446ПН1, 1446ПН2, 1446ПН3);
2) универсальные маломощные ИМС, которые можно использовать при построении самых различных схем импульсных стабилизаторов (например, 142ЕП1 или 1156ЕУ1);
3) законченные стабилизаторы, включающие схему управления и силовой транзистор на ток до 10А (например, 1155ЕУ1).
В таблице 1 приведены основные характеристики ИМС импульсных стабилизаторов этих трех групп. Повышающие импульсные стабилизаторы 1446ПН1, 1446ПН2 и 1446ПН3 предназначены для работы с низким входным напряжением и фиксированным выходным напряжением +5 или +12В. КПД таких стабилизаторов доходит до 88%, а рабочая частота до 170 кГц. При малой выходной мощности в качестве ключевого элемента используется внутренний полевой транзистор. Для питания мощных нагрузок необходимо использование дополнительного биполярного или полевого транзистора. Основное применение такие ИМС находят в источниках бесперебойного питания отдельных плат ЭВМ, при питании измерительных приборов от гальванических элементов, в переносных устройствах связи.
Таблица 1. Основные характеристики ИМС управления импульсными стабилизаторами
|
Тип ИМС |
Функциональное назначение |
Uвх, В |
Iвых, А |
fпр, кГц |
Pрас, Вт (КПД,%) |
|
|
1446ПН1 (MAX731) |
Повышающий конвертор |
2,5...5,2 |
0,200 |
170 |
(80) |
|
|
1446ПН2 (MAX734) |
То же |
2...12 |
0,175 |
170 |
(80) |
|
|
1446ПН3 (MAX641) |
То же |
1...12 |
0,450 |
45 |
(80) |
|
|
142ЕП1 (LM100) |
Набор элементов для построения импульсного стабилизатора |
<40 |
0,200 |
100 |
0,6 |
|
|
1156ЕУ1 (µA78S40) |
То же |
<40 |
1,500 |
100 |
1,5 |
|
|
1155ЕУ1 (LAS6380) |
Мощный импульсный стабилизатор |
<40 |
8,000 |
200 |
8,5 |
Наиболее универсальными являются ИМС второй группы, которые представляют собой набор элементов для построения импульсных стабилизаторов различных типов. Из этих микросхем наиболее совершенной является ИМС типа 1156ЕУ1, упрощенная структурная схема которой приведена на рис.10 Микросхема представляет собой набор типовых блоков импульсного стабилизатора, расположенных на одном кристалле. В состав ИМС входят следующие узлы и блоки: источник опорного напряжения 1,25 В; операционный усилитель с напряжением смещения 4 мВ, коэффициентом усиления больше 200 тыс., скоростью нарастания 0,6 В/мкс; широтно-импульсный модулятор, включающий задающий генератор, компаратор, схему "И" и RS - триггер; ключевой транзистор с драйвером (предварительным усилителем); силовой диод с прямым током 1А и обратным напряжением 40В.
Рис. 10
Микросхема может управлять внешним биполярным или полевым транзистором, если требуется выходной ток больше 1,5 А и напряжение выше 40 В.
ИМС 142ЕП1 использована в схеме ИСН релейного типа, структурная схема которого приведена на рис. 11.
Рис. 11 ИСН релейного типа.
ФРП двухзвенный LC-фильтр радиопомех, ослабляющий напряжение радиопомех, вносимых стабилизатором напряжения в первичную сеть при его работе.
РЭ силовой транзисторный ключ, состоящий из ИМС типа 286ЕП3 (набор двух мощных транзисторов), дополнительного умощняющего транзистора VT и дросселя, ограничивающего скорость нарастания тока Iк транзистора VT.
СФ (VD, L и C), фильтр, интегрирующий последовательность однополярных импульсов.
ВФ высокочастотный фильтр, дополнительно ослабляющий напряжение высокочастотных пульсаций тока нагрузки.
УЗ устройство защиты, обеспечивает защиту от перегрузок (транзисторная защита).
На один из входов дифференциального УПТ подается опорное напряжение, на другой входнапряжение с делителя, равное опорному. Сигнал рассогласования через эмиттерный повторитель ЭП поступает на триггер Шмидта. На его выходе вырабатываются однополярные импульсы, длительность которых изменяется в зависимости от сигнала УПТ. Эти импульсы управляют параллельным ключом ПК, который открывает или закрывает транзистор РЭ.
Задание № 3
Согласно ведомственным нормам технологического проектирования для электроснабжения предприятий связи должны использоваться два и более источников электропитания. Следовательно, требуются устройства, которые могут автоматически подключать нагрузку к любому исправному источнику Они получили название устройств автоматического включения резерва -- АВР. На предприятиях связи установка АВР производится со стороны низкого напряжения.
В нормальном режиме работы нагрузка питается от внешней сети. Если напряжение в сети отсутствует, то размыкается контакт К1 и замыкается контакт К2. Одновременно с этим выдаётся команда на запуск дизель-генераторной электростанции (АДЭС), которая замещает повреждённый ввод сети. После восстановления напряжения сети контакт К2 размыкается, контакт К1 замыкается/нагрузка вновь получает питание от внешней сети и АДЭС останавливается.
Устройство позволяет подключать нагрузки к любому из двух источников, имеющихся в электроустановке предприятия связи. Предположим, что оба источника находятся под напряжением и нагрузки через контакты К4 реле К4 питаются от первого источника. В этом случае контакты KL1, К2.1, К3.1 реле контроля напряжения KU К2 и КЗ замкнуты и обмотка контактора К4 находится под -напряжением. Размыкающие контакты (7.2, К2.2, К3.2 реле контроля напряжения К1... КЗ, которые включены в цепь обмотки контактора К5, разомкнуты и через обмотку этого 'контактора ток не протекает. При отключении напряжения любой 'из фаз первого источника отпускает соответствующее реле контроля напряжения и его контакты отключают обмотку контактора К4, контакты К.4 размыкаются. После отпускания реле контроля напряжения через его размыкающие контакты К1 2... КЗ 2 напряжение на обмотку контактора Кб и его контакты подключают нагрузку ко второму источнику. Суммарное время переключения нагрузки может достигать 0,6... 0,8 с. Описываемое (устройство требует регулировки и чистки контактов, обладает сравнительно невысокой надежностью, поэтому в настоящее время начали широко внедряться более совершенные полупроводниковые устройства АВР.
Полупроводниковые АВР обладают большим быстродействием, высокой надёжностью и практически не требуют обслуживания, В таких АВР применяются тиристоры, управление которыми осуществляется транзисторами и микросхемами. В качестве примера подобных АВР могут служить устройства переключения типа ТКЕ и ТКИ.
Электроустановкой - предприятия проводной связи называется комплекс сооружений, обеспечивающий электроснабжение предприятия, электропитание аппаратуры, освещение и функционирование других устройств, связанных с жизнедеятельностью предприятия связи как в нормальных, так и в аварийных условиях. в состав электроустановки входят линии электропередачи, трансформаторные подстанции, собственные электростанции, электрические сети технических территорий и помещений, электропитающие установки, средства электроосвещения, устройства вентиляции и кондиционирования воздуха.
Электропитающей установкой (ЭПУ) предприятия связи называется часть электроустановки, предназначенной для преобразования, регулирования, распределения и обеспечения бесперебойной подачи различных напряжений постоянного и переменного тока, необходимых для нормальной работы аппаратуры связи. в состав ЭПУ входят выпрямительные устройства, аккумуляторные батареи, агрегаты бесперебойного питания постоянным и переменным током, преобразователи и стабилизаторы напряжения, коммутационное оборудование и токораспределительные сети, связывающие между собой оборудование электропитания и аппаратуру связи.
Электроустановки предприятий связи должны отвечать следующим основным техническим требованиям: обеспечивать аппаратуру связи напряжениями необходимой стабильности, пульсация напряжения не должна превышать допустимые пределы, обеспечивать надёжность и гарантии, необходимые для нормальной работы питаемой аппаратуры связи, обеспечивать максимально возможную степень автоматизации работы установки, обладать высокими значениями клт.д. и cos ф; строиться с максимальным использованием типового унифицированного оборудования и быть экономичными в строительстве и эксплуатации.
Одним из важных признаков, характеризующих системы и электропитающие установки, является наличие в их составе аккумуляторных 'батарей и способы их эксплуатации. По этому признаку системы могут быть разделены на 'буферную с подключенной к нагрузке аккумуляторной батареей, аккумуляторную с отделённой от нагрузки батареей и без аккумуляторную, так называемую двухлучевую систему. В буферной системе электропитания аккумуляторная батарея выполняет роль не только резервного источника, но также существенным образом влияет на устойчивость системы в целом и снижает пульсации выпрямленного напряжения. Исследования систем электропитания, в состав которых входят выпрямители 'ВУК, показали, что с увеличением в нагрузке доли широтно-импульсных стабилизированных источников вторичного электропитания заметно ухудшаются условия устойчивой работы выпрямительных устройств и ЭПУ в целом. Стабилизированные источники вторичного электропитания ИВЭ ло отношению к электропитающей установке являются нагрузками, которые характеризуются постоянным, отбором мощности при изменении входного напряжения. В случае снижения подаваемого на них напряжения ИВЭ потребляют больший ток, чем при повышенном напряжении. Это означает, что входное сопротивление источника с понижением входного напряжения тоже уменьшается. Если на входе источника напряжение будет расти, то будет также увеличиваться его входное сопротивление.