Файл: Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений.pdf

I

л

' . $

И. И. БЕЛОПОЛЬСКИЙ, А. М. РЕПИН, А. С. ХРИСТИАНОВ

СТАБИЛИЗАТОРЫ

НИЗКИХ

И милливольтовых

НАПРЯЖЕНИЙ

«Э Н Е Р Г И Я»

МОСКВА 1974

6Ф2.14 Б 43

УДК 621.346.72^.1:621.382

Гос;, публ'-'чяя? I научно-"; : I

ЧИТАЛЬ*0ГО о А М .

¥ < / - 9 6 ° 3

4 4

<Х? / / 4 У

Белопольский И. И. и др.

Б 43 Стабилизаторы низких и ыилливольтовых напря­ жений. М., «Энергия», 1974.

160 с. с ил.

Перед загл. авт.: II. И. Белопольский, А. М. Репин, А. С. Христианов.

В книге рассмотрены особенности построения стабилизированных выпрямителей низких н миллнвольтовых напряжений, изложена мето­ дика их расчета как в общем виде, так и па конкретных примерах.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, а также студентов вузов соответствующих специальностей.

© Издательство «Энергия», 1974 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое использование в радиоэлектронной аппаратуре новых полупроводниковых элементов с низкими энерге­ тическими уровнями (интегральные схемы, туннельные диоды и пр.) сопровождаются значительными изменени­ ями требований, предъявляемых к выходным парамет­ рам вторичных источников питания. Так, например, на­ пряжения питания снижаются до единиц или даже до­ лей вольта; токи увеличиваются до единиц, а иногда и до десятков ампер; абсолютные величины допусти­ мых пульсаций выпрямленного напряжения 'вследствие значительного снижения уровней выходного напряжения становятся очень малыми, достигая значений нескольких милливольт.

При этих условиях проектирование вторичных ис­ точников питания методами, разработанными для ис­ точников на большие напряжения и меньшие токи, на­ талкивается на серьезные затруднения.

При низких напряжениях и больших токах нагрузки на условиях работы и выходных параметрах вторичных источников питания значительно сказываются внутрен­ ние сопротивления элементов схем и соединительных проводов, падения напряжения на которых становятся соизмеримыми, а иногда и превышающими уровни вы­ ходных напряжений. При использовании в стабилизи­ рованных источниках питания элементов, выпускаемых в настоящее время промышленностью (трансформато­ ров, дросселей, конденсаторов, резисторов, вентилей, транзисторов и других полупроводниковых приборов), необходимо выбирать схемы выпрямления, фильтрации и стабилизации, отличающиеся от аналогичных схем, применяемых при больших напряжениях и меньших то­ ках. Наряду с этим, особенно при весьма низких напря­ жениях, возникает потребность в элементах, обладаю­ щих малыми внутренними сопротивлениями и, следова­

3

тельно, характеристиками, отличающимися от характе­ ристик существующих элементов.

При понижении выходных напряжений, несмотря на увеличение токов нагрузки, выходная мощность вторич­ ных источников питания намного снижается. Однако их размеры и масса при этом уменьшаются в значительно меньшей степени, чем уменьшается выходная мощность. Это обусловлено как существенным уменьшением к. и. д., так и присущей преобразовательным устройствам зако­ номерности, заключающейся в том, что удельная мощ­ ность (т. е. мощность, приходящаяся на единицу объе­ ма и массы) устройства значительно (иногда в несколь­ ко раз) снижается при уменьшении их выходной мощности.

Однако уменьшение габарита и массы вторичных источников питания не успевает за соответствующим уменьшением размеров и массы радиоэлектронной аппа­ ратуры. в процессе ее миниатюризации.

Из сказанного выше вытекает значимость проблемы миниатюризации вторичных источников .питания, реше­ нием которой в настоящее время заняты широкие круги специалистов как в нашей стране, так и за рубежом.

Предлагаемая вниманию читателей работа посвяще­ на лишь части этой общей проблемы, а именно выбору схем, их анализу и расчетам стабилизированных источ­ ников питания низких и милливольтовых напряжений, обладающих улучшенными по сравнению с известными энергетическими и удельными характеристиками.

Содержание данной книги основано в большей части на результатах проведенных авторами работ.

Книга состоит из четырех глав.

П е р в а я г л а в а посвящена обзору существующих схем выпрямителей и стабилизаторов низких напряже­ ний. В главе рассмотрены особенности построения и ис­ пользования выпрямителей и стабилизированных источ­ ников питания низких напряжений, регулируемых по цепям выходного (выпрямленного) напряжения, по це­ пям питающего (переменного) напряжения, а также ис­ точников с регулирующими элементами в цепях вы­ прямленного и переменного напряжения. Приводятся рекомендации по применению рассмотренных схем.

Во в т о р о й г л а в е рассмотрены особенности ра­ боты выпрямительных схем при низких и милливольто­ вых напряжениях. Режимы работы таких схем, как

4

Г Л А В А П Е Р В А Я

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

И СТАБИЛИЗАТОРОВ НИЗКИХ НАПРЯЖЕНИИ

1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗА М Е Ч А Н И Я

Для ..питания современной радиоэлектронной аппарату­ ры различного назначения, построенной на полупровод­ никовых элементах (дискретных и интегральных), ха­ рактерно применение напряжений, лежащих в пределах от нескольких сотен милливольт до нескольких десятков вольт. Эти .напряжения могут быть отнесены к милливольтовым и низким напряжениям1. Действующий в на­ стоящее время отраслевой стандарт ОСТ4ГО. 005. 019 рекомендует использовать следующий 'ряд напряжений: 250; 400; 600 мв, 1,2; 2,4; 3; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,6; 15; 20; 27; 40; 50 в.

При проектировании вторичных источников питания низких и милливольтовых напряжений должна быть учтена их опецифика, связанная в первую очередь с по­ вышенными значениями внутренних активных сопротив­ лений этих источников.

Для получения низких напряжений могут 'быть ис­ пользованы вторичные источники питания, выполненные по различным схемам.

Как правило, используются стабилизированные ис­ точники напряжений, так как при малых напряжениях в связи с увеличением внутренних сопротивлений, их не­ стабильностью во времени и по температуре, а также большими разбросами параметров элементов крайне сложно обеспечить получение требуемой величины и ета-

1 Выходные напряжения вторичных источников питания можно разделить на следующие группы: милливольтовые (менее 1 в); низ­ кие (от 1 до 50 в ); средние (от 50 до 250 в) ; повышенные (от 250 до 1 000 в); высокие (более 1000 в).

6

бильности уровня выходного напряжения без примене­ ния средств его стабилизации.

Рассмотрим особенности построения схем, достоинст­ ва, недостатки и области целесообразного применения стабилизированных источников низкого напряжения, ре­ гулируемых: 1) по цепям выпрямленного (выходного) напряжения; 2) по цепям переменного (питающего) напряжения и 3) по цепям -выпрямленного и переменно­ го напряжения одновременно.

В связи о тем что выпрямитель является неотъемле­ мой частью любого стабилизированного источника пита­ ния, рассмотрим вначале особенности использования выпрямителей для получения низких напряжений.

2. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Для получения низких, средних и повышенных выпрям­ ленных напряжений в настоящее время преимуществен­ но применяются шестифазные мостовые схемы (рис. 1, а—в), обладающие рядом существенных пре­ имуществ по сравнению с шестифазными схемами с ну­ левыми выводами или «лучевыми» (рис, 1,г—е). К этим преимуществам прежде всего относятся: 1) наименьшая, при прочих равных условиях, типовая мощность транс­ форматора, что связано с лучшим использованием его обмоток; 2) отсутствие лодмагничивания, характерного (если не приняты специальные меры) для лучевых схем и 3) малые пульсации выпрямленного напряжения.

Однако при низких напряжениях (особенно при на­ пряжениях, составляющих несколько вольт) сильно ска­ зывается основной недостаток мостовых схем, заклю­ чающийся в том, что в этих схемах одновременно рабо­ тают два вентиля, соединенные последовательно. Если учесть, что падение напряжения при номинальном пря­

•порядка 100—200 в, то станет очевидным, что примене­ ние мостовых схем в этом случае будет неоправданным.

Отмеченное выше уменьшение мощностей выпрями­ телей при снижении их выходных напряжений приводит к соответствующему уменьшению удельной габаритной мощности трансформаторов выпрямителей и, как след­ ствие этого, к увеличению их относительных геометри­ ческих размеров и массы. С увеличением же геометри­

7

ческих размеров относительное внутреннее сопротивле­ ние обмоток трансформатора возрастает.

Значительное влияние на внутреннее сопротивление и габарит .выпрямителя оказывают и сглаживающие фильтры.

Использование емкостных фильтров в низковольтных выпрямителях нецелесообразно из-за значительного уве­ личения типовой мощности трансформатора, большого объема конденсаторов фильтра вследствие малых допу­ стимых значений переменной составляющей выпрямлен­ ногонапряжения и 'больших изменений выходного на­ пряжения при изменении нагрузки в широких пределах.

Рис. 1. Шестифазные схемы выпрямления: мосто­ вые на трехфазном (а) и однофазных (б) транс­ форматорах; в — с разделенными вторичными об­ мотками (первичные обмотки не указаны); луче­ вые на трехфазном (г) и однофазных трансфор­ маторах по схеме звезда (д) или треуголь­ ник (е) — звезда; /, //, / / / — трансформаторы.

8

Индуктивно-емкостные фильтры позволяют умень­ шить типовую .мощность трансформатора, однако нали­ чие в цепи нагрузки сглаживающего дросселя приводит к заметному возрастанию результирующего внутреннего сопротивления выпрямителя, а также габарита и массы источника.

Для уменьшения внутреннего сопротивления низко­

в которых требуемая величина пульсации обеспечивается за счет увеличения числа фаз вторичных обмоток транс­ форматора и соответствующего увеличения числа вен­ тилей, хотя при этом масса и объем трансформатора со­ ответственно возрастают из-за худшего использования его обмоток.

Вместе е тем можно избежать увеличения габарит­ ной мощности, обусловленного в лучевых схемах вы­ нужденным намагничиванием, приняв необходимые ме­ ры. Например, в схеме на рис. 1,г достаточно первич­ ные обмотки соединить в треугольник и, тем самым раз­ вязав их между собой по току, создать схему, состоя­ щую как бы из трех двухфазных схем, питаемых со сдвигом в 120° относительно друг друга. Однако в этом случае первичные обмотки рассчитываются на линейное напряжение, что примерно в 2 раза больше фазного на­ пряжения при соединении обмоток в звезду.

Такого же эффекта по устранению лодмагничивания в шестифазной лучевой схеме, но с улучшением сим­ метрии фаз можно достичь за счет использования двух­ фазных лучевых схем на однофазных трансформаторах, первичные обмотки которых могут быть соединены либо звездой (рис. 1,6), либо треугольником (рис. 1,е).

Применение бесфильтровых выпрямителей наиболее целесообразно в тех случаях, когда требуемые величины пульсации равны или превышают1 2—3% (как, напри­ мер, в низковольтных нестабилизированных выпрямите­ лях, непосредственно питающих стабилизаторы с регу­

получены от девятифазной (рис. 2) и двенадцатифазных (рис. 3) схем, выпрямления, пульсации в которых (без

1 При определении пульсаций по амплитуде первой гармоники, что в 2—2,5 раза меньше величины пульсации, измеряемой как отно­ сительный размах (от минимума до максимума).

9