Общая характеристика преобразователей

ЛЕКЦИЯ № 9

Тема лекции: Преобразователи уровней постоянного напряжения

Учебные вопросы лекции

1. Общая характеристика преобразователей уровней постоянного напряжения (ППН).

2. Непосредственные преобразователи уровней постоянного напряжения.

3. Двухзвенные преобразователи уровней постоянного напряжения.

Рекомендуемая литература

по лекции

1. Костиков В.Г. и др. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование. Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 2001, с.76…83.

Общая характеристика преобразователей

уровней постоянного напряжения (ППН)

Назначение ППН. Во многих радиоэлектронных средствах в качестве первичных источников питания применяются аккумуляторы, гальванические элементы, термогенераторы, атомные и солнечные батареи, т.е. источники постоянного тока, чаще всего используемые для питания нестационарной радиоаппаратуры, при этом возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого или других номиналов. Так, для питания ПВЭМ требуются постоянные напряжения 5 В и 12 В; для питания передающих устройств – напряжения до 30 кВ; для электронно-лучевых трубок необходимы напряжения до 6…7 кВ; усилители постоянного тока требуют напряжения 15 В и т.д. Эти напряжения можно получить от нескольких источников постоянного напряжения или от одного источника через гасящие резисторы и резисторы - делители напряжения. Неприемлемость этих способов очевидна из-за малого КПД, больших габаритов и массы. Эти причины и вызвали появление различных преобразователей постоянного напряжения (ППН) - электромашинных (умформеров), вибрационных и полупроводниковых.

В настоящее время полупроводниковые преобразователи практически вытеснили электромашинные и вибрационные из-за своих малых габаритов и массы, большого срока службы, высокого КПД (до 85...90%), высокой надежности, большой механической прочности и ряда других преимуществ. К недостаткам полупроводниковых преобразователей следует отнести подверженность влиянию температуры окружающей среды. Тем не менее в системах автономного электроснабжения РЭС преимущественное применение находят именно полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения в постоянное. Поэтому рассмотрим более подробно различные типы этих преобразователей.

Под полупроводниковыми преобразователями постоянного напряжения в соответствии с ГОСТ 23414-84 понимаются преобразователи электроэнергии, осуществляющие изменение постоянного напряжения. Иными словами, к этой группе преобразователей относятся такие устройства, которые преобразуют постоянное напряжение одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Указанным выше нормативным документом для обозначения данного вида полупроводниковых преобразователей не допускается использование таких еще встречающихся на практике понятий, как “конвертор” или “трансформатор постоянного тока”.

Классификация ППН. Все полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения по способу преобразования энергии делятся на непосредственные и двухзвенные.

Непосредственным называется такой преобразователь, в котором осуществляется однократное (без дополнительных манипуляций) преобразование постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. В зависимости от функционального назначения непосредственные преобразователи постоянного напряжения (НППН) выполняются одно- и многотактными. Последние обеспечивают получение на выходе преобразователя большой мощности. Очень часто НППН еще называют преобразователями постоянного тока (ППТ), либо импульсными преобразователями постоянного напряжения (ИППН). Оба термина, отражая физику процессов, правомочны, так как применяются для обозначения аппарата для преобразования энергии одного напряжения постоянного тока в другое напряжение постоянного тока, осуществляющего это преобразование в один этап без каких-либо промежуточных преобразований.

Основная цель применения НППН – регулирование потока энергии от источника постоянного тока к приемнику. НППН, используемые для замыкания или размыкания цепи, называются электронными ключами постоянного тока. Они осуществляют регулирование потока энергии в цепи посредством периодического замыкания и размыкания цепи, за счет изменения соотношения длительностей включенного и выключенного состояний.

Принцип действия НППН основан на ключевом режиме работы транзистора (при мощности нагрузки Р до 1 кВт) или тиристора (1кВт < P £ 100 кВт), которые периодически прерывают цепь подачи постоянного напряжения U ₁ в нагрузку (рис.9.1). Выходное напряжение регулируется изменением длительности выходных импульсов t _и (рис.9.1, б) при неизменном периоде их следования T. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться из выражения

(9.1)

а – схема; б – временная диаграмма

Рис. 9.1 – Непосредственный преобразователь

постоянного напряжения

В импульсной технике отношение длительности импульса t _и к периоду повторения импульсов Т называется коэффициентом заполнения к _з.

. (9.2)

Этот коэффициент характеризует относительную длительность импульса по сравнению с периодом следования импульсов.

Из соотношения (9.1) следует, что при постоянных значениях U ₁ и T величина среднего значения выходного напряжения НППН U _н.ср пропорциональна длительности импульса t _и. Следовательно, выходное напряжение регулируется от нуля (при t _и=0) до U ₁ (при t _и= T).

В двухзвенном преобразователе (ДППН) осуществляется сначала инвертирование постоянного тока, а затем выпрямление переменного тока. Упрощенно цикл преобразования можно представить структурной схемой (рис.9.2).

Применение в РЭС. Как непосредственные, так и двухзвенные преобразователи постоянного напряжения находят широкое применение в технике РЭС.

Рис. 9.2 - Структурная схема простейшего двухзвенного

преобразователя постоянного напряжения

Двухзвенные транзисторные преобразователи постоянного напряжения являются, как правило, составной частью вторичных источников электропитания различной радиоаппаратуры РЭС. Приведенная на рис.9.2 структурная схема может служить примером простого одноканального нестабилизированного источника вторичного электропитания. Однако для питания аппаратуры автоматики, радиотехники, вычислительных машин и других потребителей часто требуется напряжение постоянного тока различных номиналов, о чем сказано выше. Поэтому приходится использовать несколько одноканальных источников питания. В этом случае система вторичного питания получается достаточно гибкой: используются сравнительно простые унифицированные одноканальные блоки преобразователей, изменение номиналов напряжения осуществляется простой заменой блоков и др. Однако суммарный объем и масса системы электроснабжения становятся ограничивающими факторами такого способа построения. В связи с этим разрабатываются и широко используются в РЭС, именно многоканальные преобразователи.