Разработка импульсного источника питания

    

    Рисунок 2.1 Схема однотактного преобразователя  с гальванической связью входа и  выхода понижающая. 

    Схема преобразователя с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора, представленная на рисунке 2.2, дает возможность повысить напряжение и получить на выходе напряжение больше напряжения на входе.

    

    Рисунок 2.2 Схема однотактного преобразователя  с гальванической связью входа и  выхода повышающая. 

    Схема преобразователя с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя, представленная на рисунке 2.3, позволяет получить на выходе напряжение больше или меньше напряжения на входе, при этом выходное напряжение инвертируется. 

    

    Рисунок 2.3 Схема однотактного преобразователя  с гальванической связью входа и  выхода полярно-инвертирующая. 

    Схемы преобразователей включают в себя силовую часть (регулирующий транзистор VT1, фильтр LCн VD1) и схему управления, в состав которой входят импульсный элемент; схема сравнения и схема усилителя.

    В стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией в качестве импульсного элемента используется генератор, длительность выходного импульса или паузы которого изменяются в зависимости от постоянного сигнала, поступающего на его вход с выхода схемы сравнения.

    Принцип действия стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией: постоянное напряжение Uвх от выпрямителя или аккумуляторной батареи подаётся на регулирующий транзистор, а затем через фильтр на выход стабилизатора.

    Выходное  напряжение стабилизатора сравнивается с опорным напряжением, а затем  усиленный сигнал разности подается на вход импульсного элемента, преобразующего сигнал  постоянного тока в импульсы с определенной длительностью. Длительность импульсов измеряется пропорционально сигналу разности между опорным и измеряемым напряжением. С импульсного элемента, преобразующего постоянный ток в импульсы, сигнал поступает на регулирующий транзистор. В соответствии с управляющими импульсами регулирующий транзистор периодически переключается, и среднее значение напряжения на выходе фильтра зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях. При изменении напряжения на выходе стабилизатора изменяется сигнал на выходе схемы сравнения, а следовательно, и соотношение между паузой и импульсом регулирующего транзистора, и среднее значение выходного напряжения возвращается к своему первоначальному значению.

    В стабилизаторах  с частотно-импульсной модуляцией при изменении сигнала  на входе импульсного элемента, изменяется длительность паузы, а длительность импульса остается неизменной. Принцип действия таких стабилизаторов аналогичен принципу действия стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией. Изменение выходного напряжения стабилизатора вызывает изменение паузы, что приводит к изменению частоты импульсов, и среднее значение выходного напряжения остается неизменным.

    Принцип действия релейных или двухпозиционных  стабилизаторов несколько отличается от принципа действия стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией. В  релейных стабилизаторах  в качестве импульсного элемента применяется триггер, который, в свою очередь, управляет регулирующим транзистором. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора в первый момент регулирующий транзистор открыт, и напряжение на выходе стабилизатора увеличивается. Соответственно растет сигнал на выходе схемы сравнения. При определенном выходном напряжении величина сигнала на выходе схемы сравнения станет достаточной для срабатывания триггера. Триггер срабатывает и закрывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение сигнала на выходе схемы сравнения. Триггер вновь срабатывает и открывает регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает  увеличиваться. Выходное напряжение будет увеличиваться до тех пор, пока триггер не закроет регулирующий транзистор. Таким образом процесс будет повторяться. Изменение выходного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведёт к изменению времени открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению его частоты переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

    Отличие стабилизаторов заключается в следующем: в стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией частота переключения регулирующего  транзистора постоянна, в стабилизаторах с частотно-импульсной модуляцией и релейных стабилизаторах частота переключения зависит от изменения тока нагрузки и выходного напряжения; пульсация выходного напряжения в стабилизаторах с широтно-импульсной модуляцией и частотно-импульсной модуляцией принципиально может быть равна нулю, так как импульсный элемент управляется постоянной составляющей сигнала схемы сравнения; пульсация на выходе релейных стабилизаторов принципиально не может быть равна нулю, так как периодическое переключение триггера возможно только при периодическом изменении выходного напряжения.

    Основным  недостатком релейных стабилизаторов и стабилизаторов с частотно-импульсной модуляцией, ограничивающим область  их применения, является зависимость  частоты переключения от входного напряжения и тока нагрузки.

    Одним из основных недостатков стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией и  частотно импульсной модуляцией, по сравнению  с релейными, является их меньшее  быстродействие.

    Рассмотрим  энергетические процессы, протекающие в схемах (рисунок 2.1) при переключении регулирующего транзистора VT1 и коммутирующего диода VD1.

    На  рисунке 2.4 приведены временные диаграммы  токов и напряжений для схемы  представленной на рисунке 2.1,  при  безразрывном токе  дросселя в установившемся режиме. Как видно из диаграммы, в интервале времени 0…t_n, регулирующий транзистор открыт и находится в режиме насыщения – его коллекторный ток возрастает. В этом интервале времени i_k = i_L. Коммутирующий диод закрыт и находится под обратным напряжением, равным напряжению на входе U_VD1=-U_вх, ток диода i _VD1 = 0.

    В интервале открытого состояния  регулирующего транзистора напряжение на обмотке дросселя равно разности напряжений ΔU=Uвх-Uвых и в дросселе накапливается энергия.

      

    Рисунок 2.4 Временные диаграммы, поясняющие принцип действия схемы однотактного преобразователя с гальванической связью входа и выхода (понижающей) 

    При запирании регулирующего транзистора  в момент t_n в дросселе наводится ЭДС самоиндукции, в результате чего открывается коммутирующий диод VD1. Исходя из постоянства тока в дросселе, ток диода i_VD1 в момент его включения равен току коллектора регулирующего транзистора i_K1 в момент его запирания.

    В интервале времени t_U …T регулирующий транзистор закрыт, а коммутирующий диод открыт. Энергия, накопленная в дросселе во время открытого состояния регулирующего транзистора, расходуется на поддержание тока нагрузки стабилизатора. Ток дросселя i_L уменьшается и равен току коммутирующего диода i_VD1. Напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора максимально и равно входному напряжению стабилизатора.

    Среднее значение напряжения на входе стабилизатора  равно 

    U_вых=U_вх γ ,

где γ = t_н / T – относительная длительность открытого состояния транзистора.

    Регулировочная характеристика – кривая 1 (рисунок 2.5), определяемая выражением 2.1 справедлива для случая безразрывности тока дросселя.

    Безразрывность  тока дросселя имеет место при  L>L_кр и

    

,

где f_п – частота преобразования.

    Преобразователь повышающего типа (рисунок 2.2) даёт возможность получить напряжение на выходе большее или равное напряжению источника питания.

    

    Рисунок 2.5 Зависимость U_вых/U_вх=f(γ) для схем на рисунках 1, 2, 3 

    В схеме преобразователя (стабилизатора) повышающего типа (рисунок 2.2) в интервале, когда регулирующий транзистор открыт, ток дросселя возрастает. Коммутирующий  диод закрыт и находится под обратным напряжением, равным напряжению на выходе стабилизатора.

    Напряжение на обмотке дросселя равно входному, и в дросселе накапливается энергия. Конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки. При запирании регулирующего транзистора в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции, которая суммируется с входным напряжением стабилизатора. В интервале закрытого состояния регулирующего транзистора под действием суммы входного напряжения и ЭДС самоиндукции обмотки дросселя, открыт коммутирующий диод, и выходная ёмкость стабилизатора заряжается. Напряжение на закрытом транзисторе равно выходному напряжению стабилизатора. Среднее значение выходного напряжения в этой схеме

    

    Регулировочная  характеристика, соответствующая  этой формуле, показана на рисунке 2.5 (кривая 2).

    В схеме полярно-инвертирующего типа (рисунок 2.3) в интервале открытого состояния регулирующего транзистора к обмотке дросселя прикладывается входное напряжение, через дроссель протекает ток и в нём накапливается энергия. Коммутирующий диод закрыт и находится под обратным напряжением.

    При запирании регулирующего транзистора в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции, под действием которой открывается коммутирующий диод.

    Энергия, накопленная в дросселе, передается в нагрузку, выходная ёмкость стабилизатора  заряжается. Полярность напряжения на выходе стабилизатора соответствует полярности ЭДС, наведенной в обмотке дросселя, и противоположна полярности входного напряжения.

    Для этой схемы регулировочная характеристика изображена на рисунке 2.5 (кривая 3)

    

    Сравнивая регулировочные характеристики рассмотренных схем (рисунки 1, 2, 3) видно, что выходное напряжение в схеме стабилизатора понижающего типа  не может быть больше входного, в схеме повышающего типа напряжение на выходе при γ>0 всегда больше входного, в схеме полярно-инвертирующего типа при γ<0,5 выходное напряжение меньше входного, а при γ>0,5 больше входного.

    Импульсные  стабилизаторы повышающего и  полярно-инвертирующего типа по сравнению  с понижающим имеют худшие массогабаритные  показатели и коэффициент полезного действия. Поэтому они находят применение, главным образом, там, где необходимо получить на выходе напряжение больше входного  или напряжение противоположной полярности без применения трансформатора.  

    Вывод 

    Исходя  из вышерассмотренного, делаем вывод, что наиболее простой в реализации и одновременно обладающей наименьшими недостатками  является схема однотактного регулируемого понижающего релейного стабилизатора.

    Принципиально схема релейного стабилизатора  со схемой защиты и сигнализации представлена в приложении 3.

 

3. Разработка электрической схемы стабилизатора напряжения блока Т-27М ЗСУ-23-4М на новой элементной базе

 

    3.1. Выбор электрической схемы стабилизатора 

    Исходя  из проведенного анализа во второй главе, в модернизированном блоке  будем использовать схему импульсного стабилизатора с релейным регулированием (рисунок 3.1).

    

    Рисунок 3.1 Импульсный стабилизатор с релейным регулированием 

    В качестве управляющего элемента в данной схеме используется транзистор VT1. Нагрузочный резистор R1 служит для обеспечения работы транзистора VT1, либо VT2 в зависимости от режима работы схемы.

    Так же в схеме применяются два  параметрических стабилизатора:

1. R3, VD2 – для создания напряжения питания компаратора;
2. R7, VD3 – для создания опорного напряжения.

    В качестве устройства сравнения используется компаратор DA1 и транзистор VT2.