книги / Электропитание устройств связи

На рис. 7.4 приведен график изменения тока при импульсном характере нагрузки Степень искажения формы импульсов тока характеризуется коэффициентом искажения /Си= (Ли—/ог)/2/и, где /01, /02 — максимальное и минимальное значения тока в им­

пульсе; /и — среднее значение тока за время его импульса.

тельность импульса тока нагрузки.

Зная произведение LCU можно определить индуктивность дрос­

селя L.

При проектировании фильтра необходимо также обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конден­ сатора, при которых не могли бы возникнуть резонансные явле­ ния на частоте пульсации выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки.

ли ток нагрузки изменяется с частотой <ои, то условие отсутствия резонанса можно записать так:

Л'с меньше величины Кс, полученной из выражения (7.10), то не­

обходимо увеличить произведение LC4.

Зная L, можно рассчитать дроссель фильтра или выбрать стан­

дартный. По найденной из расчета величине С4 можно выбрать тип конденсатора. Конденсатор следует выбирать на напряжение, равное напряжению холостого хода выпрямителя, увеличенное на 15—20%. Необходимо также, чтобы амплитуда переменной сос­ тавляющей напряжения на емкости не превышала предельно до­ пустимой величины для выбранного типа конденсатора.

П-образный LC-фильтр (см. рис. 7—3б) можно представить в

виде двухзвенного, состоящего из емкостного фильтра с емкостью С0 и Г-образного с L и С4.

Коэффициент сглаживания такого фильтра можно представить как произведение коэффициентов сглаживания емкостного филь­ тра и Г-образного LC-фильтра.

171

При расчете П-образного фильтра величина емкости Со, вели­ чина коэффициента пульсации напряжения на емкости Ким , а также т и Гф известны из расчета выпрямителя.

Исходные величины LCi могут быть определены из выражения (7.11).

М1 2гфСв (тшс)а

ВП-образном фильтре наибольшей величины коэффициент

сглаживания достигает при равенстве емкостей C i= C 0.

При необходимости обеспечения большого коэффициента сгла­

так как отношение амплитуд переменных составляющих на входе и выходе каждого звена определяет коэффициент сглаживания этого звена.

Если все звенья фильтра состоят из одинаковых элементов (Х4= = Ь2~ . Ln; Ci—C2=. ■.= Сп), что наиболее целесообразно,

то

Кл = Кс2 = • • • = Ксп И Кс = Кпзв = (щшс)2" (L3BC3Br , (7.12)

где Кэа — коэффициент сглаживания каждого звена; L3B, Сзв — соответственно индуктивность и емкость каждого звена; п — чис­

ло звеньев.

Из выражения (7.12) можно определить произведение L3B, Сзв:

L3BC3B= VKj(m<ocr .

Число звеньев фильтра (п) выбирается из условия его наи­

меньшей стоимости или из условия минимума его суммарных ин­ дуктивности (Х2 =ziLi+L2+ . . . + Ln) и емкости (С2 = C i+ C 2 +

+. . . + С п).

В(10] показано, что, исходя из условия наименьшей стоимости,

а трехзвенный фильтр при КС> 160 .

Определить величины емкости Сзв и индуктивности L3B можно, исходя из обеспечения индуктивной реакции фильтра и величины допустимого выброса напряжения на выходе фильтра при сбросе нагрузки.

В первом случае из (7.7) определяем L3B, а затем определяем величину Сзв.

172

Во втором случае величину Сэ* можно определить из следую­

щего выражения:

Сзв — A IQ~\/,ги КФ/tti юсА (JHi

где Д/0 — величина изменения тока нагрузки фильтра; AUa —

допустимый выброс напряжения на выходе фильтра.

Зная Сзв и произведение L3BC3B, найдем величину L3B. Если ис­

точник питания имеет резервную аккумуляторную батарею, гото­ вую в любой момент принять на себя нагрузку при прекращении подачи электроэнергии извне, эта батарея помимо своего основ­ ного назначения — резерва является 1 акже элементом сглажи­

вающего фильтра. Такой фильтр состоит из дросселя с индуктив­ ностью L и сопротивления аккумуляторной батареи Гб, включен­

ного параллельно нагрузке (рис. 7.3г).

Так как сопротивление батареи много меньше сопротивления нагрузки (гъ<£.Яв), то переменная составляющая тока выпрямите­

ля замкнется через дроссель и аккумуляторную батарею. Прене­ брегая активным сопротивлением дросселя и имея в виду, что со­ противление батареи много меньше сопротивления дросселя для переменной составляющей (УбС/лсосЬ), коэффициент сглаживания

Ко = и 01т/и и1т = y r(m&c L f + г| ! гб« т юс Ь/гл.

Зная коэффициент сглаживания Кф и сопротивление батареи Гб, можем определить индуктивность дросселя: Ь=К^га/тидс.

Значения активного сопротивления свинцовых аккумуляторов С и СК приведены в табл. 7.1.

173

7.4. tfC -Ф И Л Ь Т Р Ы

В выпрямителях малой мощности в некоторых случаях при­ меняются фильтры, состоящие из активного сопротивления и ем­ кости (рис. 7.5). В таком фильтре относительно велики падение

Рис. 7 5. RC-фильтры:

а) Г-образный; б) П-образный

напряжения и потери энергии на резисторе /?ф, но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-емкостного.

Коэффициент сглаживания фильтра (рис. 7.5а)

Значение сопротивления фильтра Яф определяется исходя из

оптимальной величины его коэффициента полезного действия. Оп­ тимальное значение КПД лежит в пределах от 0,6 до ОД При КПД, равном 0,8, /?ф = 0,25 RH- Значения емкости Сi (в мкФ) оп­

ределяются из следующих выражений:

производится так, как и в случае П-образного LC-фильтра, путем разделения этого фильтра на емкостный и Г-образный ЯС-филь- тры.

174

7.5.РЕЗОНАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ФИЛЬТРЫ

СКОМПЕНСАЦИЕЙ ПЕРЕМЕННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

Для улучшения сглаживающих свойств иногда применяют ре­ зонансные фильтры.

На рис. 7.6а изображен фильтр, в котором в отличие от обыч­

будет очень большим и переменная составляющая выпрямленно­ го напряжения почти полностью выделится на контуре. Коэффи­ циент сглаживания такого фильтра

К с ^ п к ос CX/R3KB= т (ос QL/ГдрСк.

По сравнению с обычным Г-образным LC-фильтром коэффи­ циент сглаживания резонансного фильтра с параллельным конту­ ром в 3—4 раза выше.

На рис. 7.66 изображен фильтр с последовательным резонанс­ ным контуром. В нем последовательно с емкостью С\ включен

дроссель.

Индуктивность обмотки дросселя выбирают такой, чтобы пос­ ледовательный контур CiLK оказался настроенным в резонанс на

частоту основной гармоники выпрямленного напряжения. При этом сопротивление контура для тока первой гармоники будет наименьшим и равным гк= г к, где ■гк — активное сопротивление контура, учитывающее потери в стали дросселя, активное сопро­ тивление обмотки дросселя, а также потери в конденсаторе Ci.

Величину индуктивности обмотки дросселя LK определяют из условия ' резонанса £ ь =

= l/(/ncoc)2Ci. Приближенно коэффициент сгла­ живания такого фильтра /Сс~

Недостатком резонансных фильтров явля­ ется их эффективность только для одной ре­ зонансной частоты. Для других частот, от­ личных от резонансной,1 контур LCKобладает значительно меньшим сопротивлением и филь­ трующие свойства значительно ухудшаются.

175

Глава восьмая

Стабилизаторы напряжения й тока

8 1 ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Современная аппаратура связи предъявляет жесткие требова­ ния к постоянству питающих напряжений

Напряжение промышленной сети может колебаться в значи­ тельных пределах Помимо этого, даже при малых колебаниях напряжения сети, напряжение на зажимах потребителя может изменяться в значительной степени из за изменения нагрузки, так как любая сеть обладает внутренним сопротивлением Внутреннее сопротивление складывается в основном из сопротивления соеди­ нительных проводов и сопротивления самого источника электриче­ ской энергии

Нормальная работа большинства радиоустройств невозможна без стабилизации напряжения питания или тока нагрузки в за­ данных пределах Например, радиовещательные и связные радио­ станции допускают пестаоильность питающего напряжения до 2—3% Напряжение питания клистронных генераторов должно поддерживаться с точностью до 0,1% Ток в фиксирующих ка­ тушках телевизионной аппаратуры должен стабилизироваться в пределах 0,5— 1%

Чем чувствительнее прибор, чем точнее измерительное устрой­ ство, тем выше должна быть стабильность источников питания Так, для электронного микроскопа величина нестабильности пи­ тающих напряжений не должна превышать 0,005%, а усилители постоянного тока и некоторые измерительные приборы высокого класса точности допускают нестабильность напряжений не более 0,0001% Малой стабильностью считают такую, при которой пре делы изменения питающего напряжения составляют 2—5%, сред­ ней соответственно — 0,5—2%, высокой — 0,1—0,5% и очень вы­ сокой — менее 0,1 %

Напряжение сети, ток нагрузки, сопротивление нагрузки мо­ гут изменяться не только медленно (в течение нескольких часов), но и очень быстро (скачком), поэтому устройство, поддерживаю щее величину питающего напряжения или тока в заданных пре­ делах, должно действовать непрерывно и автоматически В ка-

177

честве таких устройств применяются стабилизаторы напряжения или тока. Дестабилизирующими факторами могут быть также: ок­ ружающая температура, влажность, частота тока питающей се­ ти и др. Однако основные причины нестабильности — это колеба­ ния входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Стабилизаторы подразделяются в зависимости от рода напря­ жения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока).

Кроме того, стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используются нелинейные элементы. Стабилиза­

газоразрядные стабилитроны.

Для стабилизации тока используются термозависимые сопро­ тивления, например, бареттеры.

В качестве параметрического стабилизатора переменного нап­ ряжения применяются электромагнитные стабилизаторы, из кото­ рых наиболее широко применяются феррорезонансные.

Компенсационные стабилизаторы напряжения или тока пред­ ставляют собой замкнутую систему автоматического регулирова­ ния с отрицательной ОС. Эффект стабилизации и данных устрой­ ствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала ОС.

Взависимости от типа управляемого прибора компенсацион­ ные стабилизаторы делятся на ламповые, транзисторные, тирис­ торные, дроссельные и комбинированные.

Взависимости от способа включения регулирующего элемен­ та относительно сопротивления нагрузки ламповые и транзистор­ ные стабилизаторы постоянного напряжения (тока) делятся на последовательные и параллельные. По режиму работы регулирую­ щего элемента стабилизаторы постоянного напряжения делятся па стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные. Б

свою очередь, импульсные стабилизаторы различают по принципу управления на широтно-импульсные и релейные.

Особую группу стабилизаторов составляют непрерывно-ключе­ вые стабилизаторы, сочетающие в себе положительные качества как линейных, так и импульсных стабилизаторов.

В некоторых случаях стабилизаторы включают в себя несколь­ ко регулирующих элементов разного типа, например, транзистор и дроссель, транзистор и тиристор и т. д. Такого вида стабилиза­ торы относятся к стабилизаторам комбинированного типа.

Применение того или иного типа стабилизатора в значитель­ ной степени определяется его нагрузкой и будет рассмотрено в последующих разделах.

178

Основными параметрами как параметрических, так и компен­ сационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока, ха­ рактеризующими качество стабилизации, являются:

а) Для стабилизаторов напряжения:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению

КсТ= (А Ц)/Л Uвых) (UBajU 0),

где А£/<ъ А^вых — соответственно 'приращение входного и выходно­ го напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; U0, и Вых — номинальные значения входного и выходного напряжений

стабилизатора.

Вместо /Сет может быть задана статическая ошибка стабилиза­ тора по сети 6 = ДС/вых/£/вых при / H=const и изменяющемся нап­ ряжении сети.

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора г*, равное отноше­ нию приращения выходного напряжения Ди Вых к приращению то­

ка нагрузки Л/и при неизменном входном напряжении t/0=const

стабилизатора по нагрузке 8г при t/o=const и изменяющемся то­

ке НаГруЗКИ 6г= Д£/Вых/£/ВЬг\- 3. Коэффициент сглаживания

где СУо~ Увых ~ —соответственно амплитуды пульсации входного и выходного напряжений стабилизатора.

4. Температурный коэффициент стабилизатора, равный отноше­ нию приращения выходного напряжения Д£/Вых к приращению тем­ пературы окружающей среды АСокр, при неизменном входном нап­ ряжении и токе нагрузки ('t/o=const, / H=>const)y=A [/Bux/A/oKp-

б) Для стабилизаторов тока:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению

/С( = (Л £/„/Л / н) (/„/£/0),

где /н, Д/н — сооответственно ток и приращение тока в сопротив­ лении нагрузки.

2. Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления на­ грузки

Кш = (ARH/RU) (/н/А/„) = rjR„,

где Ru, АЯн — соответственно сопротивление нагрузки и прираще­

ние сопротивления нагрузки стабилизатора при постоянном вход­ ном напряжении; гг — внутреннее сопротивление стабилизатора.

3. Коэффициент пульсации по току

Kt„ = IJ I н,

где I „ — амплитуда переменной составляющей тока в нагрузке.

179

4. Температурный коэффициент стабилизатора

Yi = M H/At0Kp.

Помимо параметров, характеризующих качество стабилизации, стабилизаторы постоянного напряжения (тока) оцениваются по энергетическим показателям. Основной энергетический показатель стабилизаторов — коэффициент полезного действия т|.

Стабилизаторы переменного напряжения характеризуются до­ полнительными параметрами, а именно, стабильностью выходного напряжения в зависимости от частоты питающего напряжения, ко­ эффициентом мощности, искажением формы кривой выходного нап­ ряжения.

8.2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Для стабилизации напряжения постоянного тока используются нелинейные элементы, величина напряжения на электродах которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких не­ линейных элементов чаще всего применяются газоразрядные и кремниевые стабилитроны.

Газоразрядный стабилитрон представляет собой ионный прибор тлеющего разряда, в стеклянном баллоне которого, наполненном инертным газом, находятся два электрода: анод и холодный катод.

Рассмотрим рис. 8.1 а, участок 0— 1 характеристики соответству­ ет несамостоятельному разряду, точка I — хмоменту зажигания,

Рис. 8.1. ВАХ стабилитронов: а) газоразрядного; б) кремниевого

участок 2—3 — рабочему режиму, при котором напряжение оста­ ется почти неизменным, и участок 3—4 — тлеющему разряду, ко­

торый в эксплуатационных условиях недопустим, так как этот ре­ жим связан с распылением активного слоя катода. При больших перегрузках может возникнуть дуговой разряд и стабилитрон вый­ дет из строя.

Напряжение стабилизации газоразрядных стабилитронов, в за­ висимости от его типа, колеблется от нескольких десятков вольт до нескольких киловольт. Динамическое сопротивление r<i находится в

пределах от нескольких десятков до сотен Ом.

180