3.2 Структурные схемы источника питания и выбор элементной базы

Источник питания цепи коллектора (ИП-1) по мощности относится к ИП средней мощности. С учетом анализа технических требований за основу для предварительного расчета выберем один из известных вариантов структурных схем для ключевого источника питания средней мощности. В ИП (рис.3.4) входит входной выпрямитель, ключевой стабилизатор напряжения, мостовой преобразователь напряжения, высоковольтный трансформаторно-выпрямительный модуль, цепь обратной связи, по которой поступает информация о напряжении и токе в нагрузке, а также служебный маломощный источник питания для питания стабилизированным напряжением схемы управления и защиты +15 В. Такая структурная схема не является окончательной, в процессе отработки режимов работы всего устройства в целом она может претерпевать определенные изменения, но она позволяет провести предварительные расчеты режимов по токам и напряжениям и выбрать необходимую элементную базу для высоковольтного источника питания в целом или сформировать необходимые требования к отдельным компонентам ИП.

Рисунок 3.4 - Структурная схема ИП-1

Входной выпрямитель.

Сетевой выпрямитель выполняется на полупроводниковых диодах по мостовой однофазной схеме, преимуществами которой является удвоенная частота пульсаций и достаточно «мягкие» требования к диодам по импульсному току и напряжению по сравнению с однополупериодной однофазной схемой выпрямления. Выбор диодов производится по результатам расчетов по допустимому обратному импульсному напряжению U_обри и прямому среднему I_о и импульсному току I_{пр. и}. Для сетевого напряжения 220В +-5% и мостовой схемы выпрямления амплитуду обратного напряжения на диодах определим как:

U_обр.и =1,5 U_0, ( 3.2)

где U₀ - максимальное напряжение питающей сети, с учетом нестабильности

U_o=220+220*0,05=231В, (3.3)

Максимальный средний выпрямленный ток I_o определим при наименьшем напряжении питающей сети и максимальной нагрузке, из соотношения.

I_о=Р_ср/U_{сети мин} =300/210=1,43А; (3.4)

Прямой импульсный ток диода найдем по формуле:

I_при= 3,5I_o =5А; (3.5)

Таким образом без учета эксплуатационных и конструкторско технологических требований диоды выпрямителя, выполненного по мостовой схеме должны удовлетворять следующим требованиям по напряжению и току:

U_обри>=350B,

I_при>=5A,

I_o>=1,43A.

Ниже будет показано, что для обеспечения заданной надежности и с учетом эксплуатационных требований диоды следует выбирать с некоторым запасом, как по напряжению, так и по току.

Исходя из конструктивно-технологических соображений в большинстве случаев целесообразнее использовать однофазный мост вместо дискретных диодов. Сглаживающий фильтр, включенный на выход выпрямителя, выполняет функцию сглаживания пульсаций переменного сетевого напряжения до величины приемлемой для нормальной работы преобразователя напряжения. Для ИП малой и средней мощности целесообразнее всего использовать простой емкостной фильтр, состоящий из конденсаторов, удовлетворяющих требованиям по прямому постоянному и импульсному напряжению, амплитуде пульсаций переменного тока питающей частоты и пульсаций тока частоты преобразования, которая составляет десятки килогерц, а с учетом высших гармоник -сотни кГц. Конденсаторы фильтра должны иметь низкие потери на высокой частоте (количественная характеристика -tg), низкий импеданс Z (эквивалентное сопротивление на высоких частотах, которое учитывает активные потери и реактивное сопротивление эквивалентной емкости и паразитной индуктивности, включенных последовательно). Эквивалентная емкость и паразитная индуктивность образуют последовательный резонансный контур частотой f_р, причем конденсатор эффективно может работать на частотах меньших f_р. Эффективным способом увеличения резонансной частоты и уменьшения потерь на высоких частотах является параллельное подключение к электролитическому конденсатору высокочастотных керамических или пленочных конденсаторы емкостью 0,1…1мкф, имеющих значительно большую резонансную частоту. Для снижения величины активной составляющей эквивалентного сопротивления, и паразитной индуктивности вместо одного конденсатора номинальной емкости можно включить несколько параллельно включенных конденсаторов аналогичного типа с суммарной емкостью, равной номинальной. При этом эквивалентное активное сопротивление уменьшается в соответствующее число раз, а следовательно уменьшается амплитуда переменной составляющей и потери на проводимости. Для ключевых источников питания разработаны специальные электролитические конденсаторы с малыми потерями на высоких частотах, низким эквивалентным последовательным сопротивлением, с большими значениями амплитуд пульсаций переменного тока.

Расчет величины конденсатора фильтра проводится по заданному коэффициенту пульсаций (к_по1) выпрямленного напряжения на частоте основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения. Для двухполупериодного выпрямителя частота основной гармоники пульсаций равна удвоенной частоте питающей сети т.е.

f_п= 2*f_c=100Гц. (3.6 )

где f_c - частота питающей сети

Величина к_по1 определяется как:

, ( 3.7 )

где U₀₁ амплитуда первой гармоники пульсации напряжения

U₀ -среднее значение выпрямленного напряжения.

Величина коэффициента пульсаций не задана, а является промежуточной величиной, определяемой схемой управления (ШИМ-контроллером) и схемой выходного каскада преобразователя напряжения. Фактически это означает, что величина коэффициента пульсаций должны быть такой, чтобы обеспечить нормальную работу преобразователя напряжения с выполнением требований по допустимой амплитуде пульсаций на выходе высоковольтного источника и суммарной стабильности выходного напряжения от воздействия всех дестабилизирующих факторов. Неоправданное уменьшение коэффициента пульсаций влечет за собой увеличение емкостей сглаживающего фильтра, а следовательно увеличение габаритов, веса и стоимости устройства. Приближенно величину емкости фильтра не заданной частоте можно определить по инженерной формуле

C=. (3.8)

где I_н - ток в нагрузке (среднее значение);

f - частота пульсаций;

U₀₁ - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.

Типичные значения емкости конденсатора для мощностей 200-1000ВА, составляет величину порядка 200мкф...1000мкф соответственно, при постоянном напряжении 350…450Вольт. Выбор типа конденсаторов для сглаживающего фильтра весьма широк, поэтому при выборе конденсаторов следует главным образом обращать внимание на такие параметры, как низкое эквивалентное сопротивление, малые потери на высоких частотах, допустимые амплитуды пульсаций тока на основной частоте и на высоких частотах. Кроме этого также следует обратить внимание на условия эксплуатации, такие, как температура и давление окружающей среды, так как электролитические конденсаторы весьма критичны к этим параметрам.

Заметим, что величина емкости, необходимая для обеспечения прохождения высокочастотной составляющей тока преобразователя напряжения всегда намного меньше той, которая требуется для обеспечения необходимых пульсаций на частоте выпрямленного напряжения. Определяющее значение для высокочастотных составляющих имеет правильный выбор типа конденсатора по минимуму потерь на высоких частотах. В случае применения электролитических конденсаторов рекомендуется параллельно подключать высокочастотные керамические или пленочные конденсаторы емкостью 0,1…1мкф с низким значением tg и малой собственной индуктивностью. Максимальная амплитуда пульсаций переменного тока на частоте преобразования не должна превышать допустимого значения, чтобы температура конденсатора в процессе эксплуатации при заданной температуре окружающей среды не превышала допустимого значения. При этом сумма постоянной и переменной составляющей, приложенной к конденсатору не должна превышать номинального значения напряжения, на который рассчитан конденсатор.