Предисловие

В первой части данного учебного пособия рассматриваются источники питания электронной аппаратуры, в которых для улучшения технико - экономических показателей использовано промежуточное звено повышенной частоты. Их называют также источниками вторичного электропитания (ИВЭП). Звено повышенной частоты, следовательно, не нужно непосредственно для питания потребителя, а используется для внутренних нужд преобразователя, позволяя улучшить его массогабаритные показатели, повысить к.п.д. и качество выходного напряжения. Наибольший эффект достигается тогда, когда в преобразовательном устройстве необходим трансформатор. Трансформация на повышенной частоте выгодна потому, что за короткий полупериод, когда магнитный поток Ф сердечника изменяется в одном направлении, он не успевает достичь больших значений. Если при этом сохранить плотность магнитного потока - индукцию, равной индукции насыщения магнитного материала, либо максимально допустимой по нагреву, то можно радикально сократить сечение сердечника, а, следовательно, и размеры обмоток. К тому же самому выводу можно прийти, если применить закон электромагнитной индукции в дифференциальной, либо интегральной формах

, , (В-1)

где W - число витков первичной обмотки, - ее потокосцепление, а u - напряжение на ней.

Интеграл в правой части последнего равенства есть площадь под кривой напряжения на обмотке. Максимальное значение эта площадь имеет на полупериоде между нулями напряжения, а соответствующее ей приращение потокосцепления равно удвоенной его амплитуде

, (В-2)

где F_c - сечение сердечника, а B_m - амплитуда индукции в нем.

Ясно, что указанная площадь пропорциональна длительности полупериода и при снижении этой длительности при B_m=const пропорционально снижается требуемое значение произведения числа витков на сечение сердечника WF_c. Однако чаще при высоких частотах допустимая амплитуда индукции определяется не условиями насыщения, а условиями нагрева, что несколько снижает эффект от повышения частоты, поскольку допустимая по нагреву индукция с увеличением частоты снижается. Тем не менее при повышении частоты с 50 Гц до 1020 кГц достигается снижение массы трансформатора в число раз, порядок которого равен 10. Примерно в той же пропорции снижаются потери мощности в трансформаторе.

Промежуточное звено повышенной частоты придает источнику питания также ряд других преимуществ:

1. сокращаются размеры фильтровых устройств, так как высокочастотные пульсации легче сглаживаются;

2. с помощью инверторного звена, которое необходимо для получения повышенной частоты, можно осуществить стабилизацию выходного напряжения и ограничить токовые перегрузки при аварийных режимах.

Основные недостатки ИВЭП:

1. усложняется как силовая схема, так и система управления, повышаются требования к полупроводниковым ключам, которые должны быть достаточно быстродействующими;

2. высокочастотные преобразователи создают интенсивные радиопомехи, что требует введения специальных помехоподавляющих фильтров.

Основная область применения ИВЭП в настоящее время - питание электронной аппаратуры. В немалой степени этому способствовал переход к микроэлектронной элементной базе. Размеры аппаратуры сократились при этом во много раз и на этом фоне традиционные источники питания с выпрямителями и сетевыми трансформаторами стали занимать до 7080 % объема всей аппаратуры, что и стимулировало разработку ИВЭП. К настоящему времени основные проблемы, которые возникли при этой разработке, можно считать решенными. Мало того, появилась возможность использовать найденные решения и для других источников питания, содержащих сетевые трансформаторы. Примерами могут служить источники питания для заряда емкостных накопителей энергии, для сварки и др. В перспективе область применения систем с промежуточным звеном повышенной частоты велика, поскольку в энергосистемах промышленной частоты электроэнергия по пути от генератора к потребителю несколько раз проходит через трансформаторы. Расход активных материалов на их изготовление, прежде всего дорогостоящей и дефицитной меди, огромен, и переход к системам трансформации на повышенных частотах сулит большие выгоды. Подобные системы в последнее время начали называть электронными трансформаторами (ЭТ), поскольку, выполняя функции трансформатора, они содержат кроме него также полупроводниковые преобразователи на входе и выходе. В схеме ИВЭП ЭТ является важнейшей составной частью.

Перспективы дальнейшего внедрения ИВЭП и ЭТ связаны, прежде всего, с совершенствованием быстродействующих полупроводниковых ключей, а также высокочастотных трансформаторов.

Часть I настоящего учебного пособия представляет собой краткий конспект лекций с контрольными вопросами. В ней излагаются основные схемы ИВЭП, принцип их действия, основные характеристики и методика расчета. Приведен раздел по радиопомехам и средствам борьбы с ними.

Пособие предназначено для студентов специальности 7.090803 «Электронные системы».