Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

ФГОУ ВПО «АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ МЧС РОССИИ» Кафедра инфокоммуникационных технологий и систем связи УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой №35 С.В. Папков "_____" _________________ 2014 г. Автор к.т.н., доцент Ляпин В.Г. ЛЕКЦИЯ по дисциплине "Электропитание устройств и систем телекоммуникаций" Тема "Преобразователи " Обсуждена на заседании кафедры "____" ________________ 2014 г. протокол № ___ Химки 2014 г. I. Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить основные положения элементной базы устройств и систем электропитания. 2. Ознакомить слушателей с современной элементной базой электропитающих устройств и систем телекоммуникаций; 3. Формирование у слушателей ответственности за применение современной элементной базы преобразователей электрической энергии. II. Учебно-материальное обеспечение: 1. ПЭВМ; 2. Видеопроектор; 3. Документкамера. III. Расчет учебного времени: Время 2 часа. Содержание занятия Время, мин. Вступительная часть 5 Учебные вопросы: Электромагнитные устройства. Управляемые и неуправляемые полупроводниковые диоды. Работа биполярных, полевых и ЮВТ транзисторов в режиме переключения. Конденсаторы. Контроллеры 80 1.Вентили с неполным управлением 35 2. Вентили с полным управлением 45 Заключительная часть 5 IV. Литература для самостоятельной работы обучающихся [1], с. 55-122: 1. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов/В.М Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2011. – 384 с. 2. Калугин, Н.Г. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования/Н.Г. Калугин; под ред. Е.Е. Чаплыгина. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 192 с. 3. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем/А.Ю. Воробьев. - М.: Эко-Трендз, 2002. – 280 с. 4. Источники вторичного электропитания. Учебное пособие для вузов/Е.Н. Гейтенко. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 448 с. 5. Источники вторичного электропитания. Практикум. Учебное пособие для вузов/В.В. Подгорный, Е.С. Семенов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2013. - 150 с. 6. Ляпин, В.Г. Электротехника и электроника. Элементы, схемы, систе­мы. Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп./В.Г. Ляпин, В.А. Аксютин, Г.С. Зиновьев, Е.В. Ляпин; Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2013. - 454 с. ТЕКСТ ЛЕКЦИИ Введение Все преобразователи выполняются на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых (диодах) и управляемых (тиристорах, транзисторах). Управляемые вентили подразделяются на два класса: с неполным управлением, с полным управлением. 1-й учебный вопрос Вентили с неполным управлением 2-й учебный вопрос Вентили с полным управлением Заключение Разработал доцент Ляпин В.Г. "29" августа 2014 г. 6. Стабилизаторы в цепи постоянного тока Параметрический стабилизатор напряжения Основные понятия и определения В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке. Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений. Статическое сопротивление RС - это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: RС=U0/I0=tga. Динамическое сопротивление элемента RД равно отношению изменения падения напряжения на элементе U к изменению величины тока, протекающего через элемент I. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока: RД=U/I=tg. Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока : a < ; RС>RД. В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем - простота исполнения и малое количество элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д.. Схема стабилизатора состоит из гасящего сопротивления RГ, включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке. Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора. На рисунке изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления RН (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U2=f(IН+IСТ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки IН. Отложив на оси ординат величину входного напряжения U0, строим из этой точки характеристику сопротивления RГ. Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления RГ перемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U2=f(IН+IСТ). Как видно из рисунка, при изменении входного напряжения от U1MIN до U1MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U2(1) до U2(2), причем изменение выходного напряжения U2значительно меньше изменения напряжения на входе U1. Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе. Считая, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление RН, изменение U1 является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочеого участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе U1 с реакцией на выходе U2, представляется коэффициентом деления (1) Преобразуя (1), имеем (2) Из (1) определяем (3) Отношение U1/U2 является дифференциальным коэффициентом стабилизации KСТ.Д., который связан с коэффициентом стабилизации KСТ.U выражением (4) где K0=U2/U1- коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора. Компенсационные стабилизаторы напряжения Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ. Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и нагрузку (RН). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство напряжения на нагрузке U2.Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник эталонного напряжения (UЭТ). Напряжение обратной связи (UОС) снимается с нижнего плеча ДН (RД2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение UОС и UЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение ( сигнал ошибки Ue=UОС-UЭТ), что приводит к изменению тока управления (IУ) и изменению падения напряжения на РЭ (UРЭ). Напряжение на выходе (U2) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U1) или уменьшении тока нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Ue), уменьшение тока управления (IУ) и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке. Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из-за возможных перегрузок РЭ по току. Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным РЭ: При возрастании входного напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке U2 и, следовательно UОС. Последнее приводит к возрастанию напряжения ошибки Ue, тока управления IУ и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе URб и напряжение в нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается. Схема имеет невысокий КПД изза потерь на балластном резисторе Rб, но более высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения На рисунке представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора непрервного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе - VT2, источником эталлоного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R2ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4. При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени возрастает напряжени на нагрузке U2 и напряжение обратной связи UОС, снимаемое с нижнего плеча делителя напряжения R4. Напряжение ошибки Ue увеличивается, потенциал эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наболее положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока IK2. По закону Кирхгофа для узла: Iб1=I1-IK2, поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор призакрывается. Падение напряжения UКЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке восстанавливается. Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U1ном. При возрастании напряжения U1 катет прямоугольного треугольника U2 остается постоянным, изменяется падение напряжения UКЭ1=U1-U2. Рабочая точка переходит из положения "1" в "2". Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки. При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника IК1, что приводит к увеличению падения напряженя на РЭ - UКЭ1 и уменьшению напряжения на нагрузке. Рабочая точка переходит из положения "1" в "2" и происходит приоткрывание транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается. Способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в компенсационных стабилизаторах непрерывного действия: 1. Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции (интегродифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке UН. Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U1, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается. Для увеличения коэффициента усиления УПТ можно увеличить сопротивление нагрузки R1 и, соответственно, напряжение питания и подавать его на УПТ от отдельного внешнего источника с большим уровнем напряжения. 2. Введение токостабилизирующего звена в выходной цепи УПТ, при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя. При возрастании входного напряжения U1 напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения между базой и эмиттером транзистора VT1. При этом выходной ток стабилизатора тока (IK1) остается постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня напряжения обратной связи. 3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора. Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LC), схему управления. Силовой контур импульсного стабилизатора имеет три состояния. При подаче управляющего импульса (UШИМ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит передача напряжения источника питания U1 через открытый транзистор в нагрузку. Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтно модулированного (ШИМ) сигнала) энергия дросселя передается через обратный диод VD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то возникает режим прерывистого тока дросселя, при котором конденсатор разряжается в нагрузку. Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом деления K1=R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи K2 (Ue=UОС-UЭТ); компаратор напряжения K3, который формирует ШИМ - сигнал. Он равен "1", если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения UОС. При возрастании входного напряжения U1 уменьшается площадь между уровнем напряжения "пилы" и UОС, что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U2 восстанавливается. Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения Компенсационный стабилизатор - это система автоматического регулирования с ООС. Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. По сигналу ошибки Ue изменяется состояние РЭ, засчет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U2. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого коэффициента усиления Кпет: где К1- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи; К2=1*2*** n- коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ, если в качестве УПТ используется операционный усилитель, то  Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия - К3=1*2*** n- коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ. Для компенсационного стабилизатора напряжения импульсного действия: , где Uпм - размах пилообразного напряжения генератора пилы.