Алексей Телегин, ведущий блога по источникам питания Keysight Technologies
Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим выполнить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает решение вопросов КПД источников питания.
В большинстве применений существенным недостатком линейного источника питания постоянного тока является его невысокий (неоптимальный) КПД. Обычно можно спроектировать линейный ИП постоянного тока с надлежащим КПД, когда значения входного и выходного напряжения фиксированы. Тем не менее, если одно или оба напряжения различаются в широком диапазоне, после того как ИП постоянного тока будет соответствующим образом обеспечивать регулирование при низком входном напряжении и/или высоком выходном напряжении, он должен затем рассеять значительную мощность.
Для того чтобы использовать ИП постоянного тока, отсекающие линию переменного тока, задается достаточно широкий диапазон входного напряжения переменного тока. Повышение линейного напряжения на 35% с минимального до максимального значения считается обычной практикой. В современных ИП, основанных на коммутации по высокой частоте (импульсные ИП), решена проблема КПД как функции изменения входного напряжения линии. Однако прежде чем импульсные ИП для источников питания постоянного тока получили широкое распространение, были разработаны различные типы низкочастотных предварительных регуляторов.
Предварительный регулятор — это контур, который подает регулируемое напряжение на линейный выходной каскад из нерегулируемого напряжения, выведенного из напряжения линии переменного тока с небольшой потерей мощности. Хотя данные схемы используются не так широко, как другие схемы предварительных регуляторов, в редких случаях феррорезонансные трансформаторы находили применение в качестве эффективного предварительного регулятора в источниках питания постоянного тока.
Что такое феррорезонансный трансформатор? Он напоминает обычный трансформатор тем, что преобразует напряжение переменного тока через первичную и вторичную обмотки. Но в отличие от обычного трансформатора, после достижения определенного уровня входного напряжения переменного тока, начинает регулировать свое выходное напряжение переменного тока на фиксированном уровне, даже если входное напряжение переменного тока продолжает расти, как показано на рис. 1. Феррорезонансные трансформаторы также часто называют трансформаторами-стабилизаторами напряжения, или CVT.
Рис. 1. Передаточная характеристика входа-выхода феррорезонансного трансформатора
В феррорезонансном трансформаторе используется уникальная магнитная структура, в которой путь рассеяния магнитного шунта расположен между первичной и вторичной обмотками. Данная конструкция показана на рис. 2. Таким образом, только часть конструкции трансформатора насыщается при более высоком пиковом уровне напряжения во время каждого полуцикла переменного тока. Когда часть сердечника магнитно насыщается, первичная и вторичная обмотки становятся эффективно развязаны. Конденсатор переменного тока на стороне вторичной обмотки вступает в резонанс с имеющейся индукцией. Это обеспечивает перенос энергии на нагрузку во время данного этапа магнитного насыщения, поддерживая уровень напряжения. Результирующая форма волны — это обрезанная синусоида с достаточно высоким уровнем нелинейного искажения в качестве результата. Однако некоторые современные конструкции содержат дополнительную фильтрацию, которая может снижать нелинейное искажение на несколько процентов.
Рис. 2. Конструкция феррорезонансного трансформатора
Помимо регулирования выходного напряжения феррорезонансный трансформатор имеет еще ряд привлекательных характеристик:
- обеспечивает защиту от бросков напряжения переменного тока в линии;
- создает защиту от мгновенных провалов в линии переменного тока;
- ограничивает свой выходной ток в случае короткого замыкания;
- очень прочен и надежен.
Однако из-за некоторых негативных побочных эффектов маловероятно найти феррорезонансные трансформаторы в современных ИП постоянного тока. Конструкции с коммутацией по высокой частоте доминируют по эксплуатационным характеристикам и стоимости. К негативным побочным эффектам конструкции феррорезонансных трансформаторов относятся:
- большой физический размер;
- относительно высокая стоимость и отсутствие универсальности;
- ограниченность определенной частотой линии, при которой возникает резонанс.
Несмотря на отсутствие феррорезонансных трансформаторов в большинстве современных ИП постоянного тока, очень интересно наблюдать за устойчивой потребностью в феррорезонансных трансформаторах. Сложно конкурировать с присущей им простотой и надежностью, когда определяющую роль играет длительная надежная эксплуатация с минимальным объемом технического обслуживания и регулирование линий переменного тока во многих регионах по всему миру не может осуществляться надлежащим образом.
