Введение.

Источники электропитания, являющиеся неотъемлемой частью любых радиотехнических устройств, представляют собой комплексы элементов, приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы радиоустройств.
Все источники электропитания могут быть разделены на две группы - на источники первичного и вторичного питания.
Источниками первичного питания называются устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. К ним относятся электромашинные генераторы, электрохимические источники тока, термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи, фотоэлектрические преобразователи и атомные батареи, преобразующие соответственно механическую, химическую, тепловую, световую энергию и энергию внутриатомного распада в электрическую.
Источниками вторичного питания называются устройства, преобразующие электрическую энергию одного вида в другой. К ним относятся преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители), преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы), преобразователи величины переменного напряжения (трансформаторы), преобразователи частоты переменного тока (умножители и делители частоты) и др.
На практике применяются различные сочетания источников первичного и вторичного питания, образующие в совокупности различные системы электропитания. Наиболее распространенной системой электропитания РЭА является система, состоящая из источника переменного напряжения (электростанция) и выпрямителей, преобразующих переменное напряжение источника в постоянные напряжения различной величины.
Блок-схема выпрямителя приведена на рис. Его основными элементами являются трансформатор, электрические вентили и сглаживающий фильтр.
Назначение трансформатора - преобразование переменного напряжения источника до величины, соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения. Кроме того, трансформатор необходим для электрического разделения (изоляции) цепей постоянного и переменного токов.
Электрические вентили служат для выпрямления, т.е. для преобразования переменного напряжения в напряжение одного неизменного направления. При выпрямлении напряжения синусоидальной формы значения выпрямленного напряжения также изменяются по величине, т.е. является пульсирующим.
Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры.
Кроме трансформаторов, вентилей и фильтров, выпрямители могут содержать различные дополнительные и вспомогательные устройства. К их числу следует отнести: устройства для стабилизации выпрямленного напряжения, т.е. для поддержания его величины на определенном, заранее заданном уровне; устройства для регулирования выпрямленного напряжения, т.е. для изменения его величины в желаемых пределах; устройства для включения и отключения выпрямителя; устройства для защиты выпрямителя от повреждений при нарушениях нормального режима работы и др.

Стабилизаторы напряжения и тока.
Принцип стабилизации и основные определения.

Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РЭА, может колебаться в значительных пределах, что значительно ухудшает качество работы аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя(изменение напряжения питающей сети) и изменение нагрузки на его выходе.
В сетях переменного тока, питающих выпрямительные устройства, наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение длительных промежутков времени (от нескольких минут до нескольких часов) и быстрые длительностью порядка долей секунды. Первые вызываются постепенным увеличением или уменьшением общей нагрузки сети, а вторые - включением или выключением различных электрических установок. В обоих случаях колебания входного напряжения обусловлены наличием внутреннего сопротивления питающей сети. При изменении сопротивления нагрузки напряжение на выходе будет изменяться даже при неизменном входном напряжении вследствие изменения падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя.
Любые изменения выходного напряжения источника питания отрицательно сказываются на работе РЭА. Некоторые устройства требуют стабилизации питающего напряжения, другие тока. В любом случае между источниками питания и нагрузкой включается соответствующее стабилизующее устройство.
Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток нагрузки с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения (тока) на выходе стабилизатора.

Коэффициент стабилизации по напряжению равен:
(Кст)u = /_\ Uвх /Uвх.ном. : /_\ Uвых /Uвых.ном. , где
/_\ Uвх = Uвх.макс-Uвх.мин
/_\ Uвых = Uвых.макс-Uвых.мин

Коэффициент стабилизации по току равен:
(Кст)I = /_\Uвх /Uвх.ном : /_\Iвых/Iвых.ном, где
/_\Iвых = Iвых.макс-Iвых.мин

Все существующие типы стабилизаторов напряжения можно разделить на две группы: стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.
Существуют два основных метода стабилизации: параметрический и компенсационный.

Cтабилизаторами параметрического типа называются электрические схемы, напряжение на выходе которых остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы. Для стабилизатора параметрического типа характерным является наличие в схеме одного или нескольких нелинейных элементов.

Если стабилизатор работает в цепи постоянного тока, то в качестве линейного и нелинейного элементов используются активные сопротивления(резисторы, диоды). При работе стабилизатора в цепи переменного тока, как правило, применяются реактивные сопротивления (индуктивные или емкостные).
Из графика видно, что при изменении напряжения на входе стабилизатора от некоторого минимального значения Uвх.мин до максимального Uвх.макс. по общей характеристике 3, напряжение на выходе стабилизатора, по характеристике 2, изменяется в значительно более узких пределах, чем на входе. Это объясняется тем, что большая часть приращения выходного напряжения падает на линейном элементе, обладающем более крутой вольт-амперной характеристикой.

Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи.
Примерами параметрических стабилизаторов являются стабилизаторы со стабилитронами.
Примерами компенсационных стабилизаторов являются электронные, транзисторные и дроссельные стабилизаторы, а также стабилизаторы с двумя регулирующими элементами (дроссельно-электронные и дроссельно-транзисторные).



Проектирование устройств электропитания

Исходные данные и порядок расчета.
Разработка устройства электропитания начинается с составления технического задания, в котором указываются:
1) назначение проектируемого устройства;
2) номинальное напряжение и частота тока сети;
3) номинальные значения выпрямленного напряжения и тока;
4) допустимый коэффициент пульсации на выходе выпрямителя при номинальной нагрузке;
5) пределы регулировки выпрямленного напряжения;
6) пределы изменения напряжения сети и тока нагрузки;
7) допустимые пределы изменения напряжения на выходе выпрямителя;
8) конструктивные и эксплуатационные требования;
9) климатические условия (максимальная и минимальная температура, влажность и давление окружающего воздуха);
10) механические условия (вибрация, тряска).

Проектирование устройства электропитания заключается в выборе наиболее рациональной схемы выпрямления, числа и типа вентилей, схемы фильтра и его элементов, в определении параметров трансформатора и сглаживающего дросселя фильтра, в выборе схемы регулирования или схемы стабилизации, определении параметров этих схем, их эксплуатационных характеристик, выборе и разработке конструкции и определении веса, габаритных размеров и стоимости устройства.

Расчет устройства электропитания, как и любая инженерная задача, не имеет однозначного решения. Это означает, что всегда можно разработать несколько устройств с одинаковыми выходными данными, но значительно отличающихся друг то друга по весу, габаритным размерам, стоимости и другим параметрам. Расчет этих устройств осложняется еще и тем, что большинство предъявляемых к ним требований имеет противоречивый характер. Так, например, высокий к.п.д. и надежность работы трудно обеспечить при минимальном весе; требование стабилизации напряжения приводит к снижению к.п.д. Поэтому основная задача,решаемая при разработке устройства электропитания, заключается в техническом обосновании и выборе решения, наиболее полно соответствующего поставленным требованиям.

При разработке нестабилизированных источников постоянного напряжения целесообразен следующий порядок проектирования:
1) выбор типов вентилей, схемы выпрямления и схемы фильтра;
2) предварительный расчет выпрямителя;
3) расчет фильтра;
4) расчет сглаживающего дросселя;
5) расчет трансформатора;
6) окончательный расчет выпрямителя и фильтра.

При разработке стабилизированных источников постоянного напряжения целесообразен следующий порядок проектирования:
1) выбор схемы стабилизации;
2) расчет регулирующего элемента;
3) расчет измерительного элемента;
4) расчет усилительного элемента;
5) определение требуемых параметров выпрямителя.
После этого производится расчет выпрямителя по пп. 1-6 см. выше.

После выполнения всех расчетов необходимо:
1) составить принципиальную электрическую схему с перечнем элементов;
2) разработать конструкторскую документацию;
3) разработать технически условия (ТУ).

Выбор вентилей.
В настоящее время наибольшее распространение в качестве выпрямителей получили кремневые полупроводниковые диоды. Промышленностью выпускается большой набор выпрямительных диодов. Диоды выбираются по справочнику ориентируясь на их основные параметры:
1) допустимое обратное напряжение;
2) допустимый прямой ток;

Выбор схемы выпрямления.
В низковольтных выпрямителях с полупроводниковыми вентилями, выполняемых на напряжения величиной до нескольких вольт, применение однотактной двухполупериодной схемы выпрямления становится более целесообразным, чем применение двухтактной схемы. Это объясняется тем, что в однотактной схеме может быть только один вентиль в плече (вместо двух в двухтактной), что значительно сокращает внутреннее сопротивление, потели в схеме и габаритные размеры трансформатора. В других случаях по большинству сравниваемых параметров наиболее целесообразно использование двухтактных мостовых схем выпрямления с кремниевыми п/п вентилями.

Выбор схемы и элементов фильтра. Выбор схемы фильтра и его элементов зависит от типа вентилей, схемы выпрямления, мощности и сопротивления нагрузки, характера нагрузки, требуемого коэффициента фильтрации и частоты тока сети. При использовании германиевых и кремниевых вентилей желательно применение фильтров, начинающихся с индуктивности, т.к. индуктивность ограничивает амплитудное значение тока. В тех случаях, когда это невозможно, следует выбрать вентили таким образом, чтобы амплитудное значение тока не превышало допустимого. Габаритные размеры фильтра уменьшаются при увеличении основной частоты пульсации выпрямленного напряжения. С этой точки зрения целесообразно применять при питании от однофазной сети двухполупериодные схемы. Фильтры выпрямителей малой мощности выполняются либо емкостными, либо по П-образной схеме; в выпрямителях средней и большой мощности обычно применяются Г-образные фильтры. Характер нагрузки оказывает значительное влияние на выбор схемы фильтра. Так, например, при импульсном характере нагрузки последним звеном фильтра должна быть емкость; величина емкости должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить допустимое искажение формы импульса или допустимую величину изменения выходного напряжения. При выборе схемы фильтра следует иметь в виду, что требуемый коэффициент фильтрации можно получить как от однозвенного, так и от многозвенного фильтра. Однако при большом коэффициенте фильтрации суммарный объем и вес многозвенного фильтра меньше, чем однозвенного, рассчитанного на одно и то же сглаживание пульсации.Поэтому при больших коэффициентах фильтрации целесообразно применять многозвенные фильтры. Большое влияние на выбор фильтра схемы оказывают требования по стабильности внешней (нагрузочной) характеристики выпрямителя. Во всех случаях, когда изменение выпрямленного напряжения при изменении тока нагрузки должно быть относительно невелико, следует применять фильтры, начинающиеся с индуктивности. При выборе схемы фильтра следует также учитывать несимметрию прямых сопротивлений вентилей, напряжений вторичных обмоток трансформатора и в многофазных схемах - несимметрию фазных напряжений питающей сети. Как известно, несимметрия приводит к появлению на выходе выпрямителя переменных составляющих более низкой частоты, по сравнению с частотой основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения. Эту более низкую частоту тоже необходимо фильтровать и при выборе схемы фильтра, увеличивать его коэффициент фильтрации. Питание выпрямителей от сети с повышенной частотой тока позволяет значительно уменьшить габаритные размеры фильтра и упростить его схему. В отдельных случаях требуемая величина коэффициента фильтрации такова, что можно ограничиться одним лишь емкостным фильтром, включенным параллельно нагрузке.

После того как принята та или иная схема фильтра, следует выбрать его элементы. В качестве последовательных элементов фильтров применяются резисторы и дроссели. Выбор в качестве последовательного элемента резистора или дросселя зависит от мощности. Так RC-фильтры применяются при мощностях порядка 5-10 вт, при больших мощностях применяются LC-фильтры. В качестве параллельных элементов во всех типах фильтров применяются преимущественно бумажные или электролитические конденсаторы. Конденсаторы следует выбирать по заданной емкости, рабочему напряжению и допустимому значению переменной составляющей выпрямленного напряжения. Бумажные фильтровые конденсаторы выпускаются на рабочие напряжения 160 в - 30 кв, электролитические - на напряжения 6 - 500 в. Максимальные величины емкостей бумажных конденсаторов достигают величины порядка 10 мкф, а электролитические при низких напряжениях - 2000 мкф. В соответствии с этим электролитические конденсаторы целесообразно применять при напряжениях до 500 В, а бумажные - при больших напряжениях. При выборе рабочего напряжения конденсатора следует учитывать допустимые для них величины переменной составляющей выпрямленного напряжения. Эти значения зависят от частоты основной гармоники, а следовательно, от используемой схемы выпрямления. Если фактическое значение переменной составляющей превышает допустимое, следует либо увеличить рабочее напряжение конденсатора, либо при этом же рабочем напряжении увеличить количество конденсаторов для получения большей суммарной емкости. При использовании электролитических конденсаторов следует учитывать изменение их емкости при отрицательной температуре окружающей среды. При температурах -40...-60 град. емкость может уменьшаться примерно вдвое.

Выбор схем регулирования и стабилизации.
Большинство выпрямителей, применяемых для питания радиотехнических установок, снабжается устройствами для регулирования или стабилизации напряжения. Выбор схемы регулирования зависит от величины выпрямленного напряжения и мощности выпрямителя. При напряжениях не более 400 В и мощностях порядка 5-10 вт регулировку целесообразно вести на стороне выпрямленного напряжения, используя для этого потенциометры. В выпрямителях с транзисторными стабилизаторами при мощностях от 10 до 150 вт можно осуществить плавную регулировку выпрямленного напряжения в небольших пределах (порядка +-10 проц.), изменяя падение напряжения на регулирующем транзисторе. При более высоких напряжениях и больших мощностях регулировку выгоднее осуществлять на стороне переменного напряжения. Большинство современных радиотехнических устройств требует , как правило, высокой стабильности выпрямленных напряжений. Выбор схемы стабилизирующего устройства зависит от требуемой точности стабилизации, допустимой инерционности к.п.д.,надежности и мощности на выходе стабилизатора. Параметрические стабилизаторы напряжения обеспечивают значительно меньший коэффициент стабилизации чем компенсационные. При сравнении существующих схем стабилизаторов по величине к.п.д. следует, безусловно, отдать предпочтение ключевым и транзисторным стабилизаторам, имеющим к.п.д. 80-90 проц и 60-70 проц соответственно. К.п.д. параметрических стабилизаторов со стабилитронами составляет 30-40 проц. Широко распространенные в настоящее время транзисторные и ключевые стабилизаторы имеют хорошие показатели по надежности. Мощность на выходе транзисторных и комбинированных стабилизаторов ограничивается предельно допустимой мощностью рассеяния на регулирующих элементах. Транзисторные стабилизаторы выполняются на мощность 90-100 вт. Мощность на выходе стабилизаторов со стабилитронами ограничивается предельно допустимым током стабилитрона и поэтому не превышает 20-30 вт.