Каждое электронное устройство оснащено источником электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству в целом и условиями его эксплуатации. В общем случае источники вторичного электропитания — это преобразователи первичной энергии в энергию, пригодную для работы данного устройства, наделенного определенными пользовательскими функциями. Дополнительной, необходимой функцией источника электропитания является обеспечение гальванической развязки между источником первичного напряжения и нагрузочными цепями.

На рис. 2.1 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме.

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен, по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла.

Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ-преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ-помехи).

Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ-колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого ИП, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема источника питания

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей — в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения.

Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ-преобразователя.

Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ-трансформатор. Здесь ВЧ-преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ-усилитель мощности, ВЧ-трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 2.2, одновременно осуществляет две функции — преобразование и стабилизацию напряжения.

Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления — это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке.

По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ-передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

На схеме, показанной на рис. 2.2, представлена структура одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков. В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе.

Подстройка напряжения по неосновным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации БП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Прежде чем перейти к обсуждению практических схем источников питания, рассмотрим несколько возможных вариантов построения отдельных функциональных узлов импульсных источников питания. Это позволит лучше понять, почему при проектировании реальных схем предпочтение отдается тому или иному схемотехническому решению.

 

2.1. Автогенераторные каскады ВЧ-преобразователей

Как видно из рисунков структурных схем ИБП (см. рис. 2.1 и 2.2), основным узлом, обязательно входящим в состав каждого подобного источника питания, является ВЧ-преобразователь. Его назначение состоит в формировании на обмотке трансформатора из выпрямленного напряжения первичной сети импульсного напряжения требуемой формы.

Вид получаемого импульсного напряжения определяется типом используемого трансформатора, с помощью которого происходит передача энергии в нагрузку и обеспечивается гальваническая развязка от источника первичного напряжения.

Группа элементов формирователя напряжения специальной формы вместе с трансформатором и составляют ВЧ-преобразователь.

Его параметры и надежность работы являются определяющим фактором функционирования источника при подаче напряжения питания «U» на элементы схемы.

Пример силового каскада, выполненного по автогенераторной схеме, представлен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Электрическая схема силового каскада

Каскад выполнен на транзисторе по схеме релаксационного импульсного генератора. Схема содержит один трансформатор TV, на котором размещены все обмотки. Входное напряжение питания U поступает на коллектор транзистора VT через первичную обмотку W1 трансформатора TV. Сигнал обратной связи подается на базу транзистора VT с обмотки W3. Начало каждой обмотки обозначено точкой. Ко вторичной обмотке W2 последовательно подключены выпрямительный диод VD, конденсатор С и условная нагрузка RH.

Важной особенностью выполнения однотактных преобразователей является способ подключения выпрямительного диода во вторичной цепи. Способ подключения диода, согласно рис. 2.3, называется обратным, так как диод VD открывается при закрытом транзисторе VT и закрывается при открывании транзистора VT.

Работа всех ИБП основана на том же принципе преобразования энергии, а схемотехнические решения различаются способами подключения ВЧ-трансформаторов к активной части преобразователей и методами стабилизации выходного напряжения.

В книге рассмотрены преобразователи напряжения первичной сети 220 В, 50 Гц с номинальной мощностью до 1100 Вт, поэтому особое внимание при описании ВЧ-преобразователей уделено применению высоковольтных активных компонентов — транзисторов и диодов, — элементов для фильтрации выпрямленного напряжения, а также критериям их подбора для использования в импульсных источниках питания.

В современных ИБП применяются два основных типа ВЧ-преобразователей — одно— и двухтактные.

Оба типа используются как в схемах с автогенератором на силовых элементах (транзисторах), так и в схемах с внешним управлением. Во втором случае силовые активные элементы работают в режиме усилителей мощности.

Другим фактором, оказывающим большое влияние на работу преобразователя, являются инерционные свойства диодов, установленных в выпрямителе вторичной цепи. О вторичных цепях и их схемотехнике применительно к ИИП мы говорили в нескольких разделах первой главы.

Эти свойства характеризуются временем рассасывания избыточных носителей заряда и временем восстановления обратного сопротивления. У диодов, используемых в выпрямителях импульсных преобразователей, значения этих параметров должны иметь минимальную величину (порядка нескольких наносекунд).

Такими параметрами могут обладать высокочастотные или импульсные безынерционные диоды. В рабочем режиме диоды выпрямителя находятся в открытом состоянии попеременно. В момент переключения оба диода на некоторое время * ПРОПУСК текста*.

Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра обратно пропорциональна длительности фронта импульса t.

Следовательно, уменьшая эту величину при заданном уровне пульсаций, получим возможность применять конденсаторы меньшей емкости, снизить массу и габариты источника питания.

Одним из способов повышения эффективности этого параметра является применение в схеме автогенератора с насыщающимся трансформатором единого базового резистора Rfc.

Вариант схемы автогенератора с таким резистором представлен на рис. 2.4.

 

2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП

Основные положения по структуре каскадов, схемам включения силовых активных и индуктивных элементов справедливы и для частных случаев их использования в качестве усилителей мощности, то есть основных узлов для преобразователей напряжения с внешним управлением.

Рис. 2.4. Вариант схемы автогенератора

В заключение рассмотрим схему полумостового усилителя, широко применяющегося в импульсных источниках питания мощностью до 800 Вт.

Упрощенная схема полумостового усилителя мощности представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Упрощенная схема полумостового усилителя мощности

На рис. 2.6 представлены два силовых транзистора VT1 иУТ2 и два конденсатора С1 и С2, образующих мостовую схему. Собственно, такую схему принято называть транзисторной.

В диагональ моста, между точкой соединения конденсаторов С1, С 2 и точкой соединения эмиттера VT1 и коллектора VT2, подключается первичная обмотка трансформатора TV. Действие схемы основано на поочередном открывании транзисторов VT1 и VT2, которые работают в ключевом режиме. Вывод первичной обмотки трансформатора TV, соединенный с транзисторами, попеременно подключается то к положительному полюсу первичного источника питания (VT1 открыт, VT2 закрыт), то к отрицательному полюсу (VT2 открыт, VT1 закрыт). В первом случае ток протекает через транзистор VT1 — обмотку трансформатора TV — конденсатор С2.

Во втором случае — через конденсатор С1 — обмотку трансформатора TV — транзистор VT2.

Таким образом, в каждом цикле работы преобразователя через первичную обмотку трансформатора TV протекает ток — как в прямом, так и обратном направлениях.

При одинаковых временных интервалах открывания каждого из транзисторов и равенстве емкостей конденсаторов С1 и С2 в точке их соединения устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Переменное напряжение на первичной обмотке TV представляет собой импульсы прямоугольной формы.

Таким образом, амплитудное значение импульсного тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT2, сопоставимо с аналогичным параметром для однотактного преобразователя.

Последовательность открывания транзисторов устанавливается внешней схемой управления, примером которой служит ШИМ-регулятор.

Электрическая схема, показанная на рис. 2.5, предполагает питание постоянным или выпрямленным и отфильтрованным напряжением.

В качестве конденсаторов для С1 и С2 необходимо применять лакопленочные или бумажные конденсаторы, рассчитанные на применение в диапазоне частот работы высокочастотного преобразователя, при значительном напряжении пульсаций на них.

Симметрирование работы силовых транзисторов благоприятно отражается на их тепловом режиме. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер каждого из транзисторов в схеме полумостового усилителя равно напряжению питания.

Представленная в настоящем разделе схема имеет ряд неоспоримых достоинств.

Основным считается способ включения трансформатора TV в силовую цепь, при котором исключается насыщение его сердечника вследствие разбросов по длительности и амплитуде воздействующих на него импульсов разной полярности.

Используя схему внешнего управления, можно исключить протекание сквозных токов через транзисторы. Активные элементы, применяемые в полумостовом усилителе, могут иметь низкие предельные параметры.

 

2.3. Схемотехника ИИП с несколькими выходными напряжениями для разной токовой нагрузки

Современные источники питания, применяемые в широком спектре пользовательских задач, имеют функцию дистанционного включения, независимый канал питания элементов дежурного режима с номиналом +5 В. Однако многофункциональные ИИП, к которым можно отнести блоки питания персональных компьютеров различного форм-фактора и назначения, имеют и несколько дополнительных каналов, обеспечивающих выходные напряжения положительной и даже отрицательной полярности.

Номинальные значения каналов вторичных напряжений и их основные параметры приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Основные параметры вторичных каналов ИИП

Измерения вторичных напряжений необходимо проводить на контактах разъемных соединителей, предназначенных для подключения к устройствам.

Так, канал +3,3 В должен иметь запас по напряжению в 100 мВ для компенсации падения на соединительных проводниках и проводниках печатной платы. Кроме того:

• суммарная мощность по каналам +5 В и +3,3 В не должна превышать 225 Вт;

• токовая нагрузка по каналу +5 В должна превышать или быть эквивалентной нагрузке канала +3,3 В;

• разница времени нарастания напряжения канала +5 В до минимального значения диапазона регулирования и соответствующего значения по каналу +3,3 В не должна быть более 20 мс;

• источник должен быть снабжен встроенной защитой цепей преобразователя от короткого замыкания по каналам +5 В и + 12 В;

• общий провод питания вторичных каналов напряжения должен иметь соединение с металлическим корпусом источника питания;

• преобразователь должен сохранять значения выходных напряжений в течение 17 мс после отключения первичного питающего напряжения;

• пульсации определяются как случайные или периодические отклонения от номинального значения напряжения с частотами в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц. Для измерений должна использоваться емкостная нагрузка из комбинации керамического конденсатора емкостью 0,1 мкФ и электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ.

Требования к условиям эксплуатации следующие:

• температура полупроводниковых элементов в источнике питания не должна превышать +110 °C при температуре окружающей среды +50 °C;

• корпус конденсаторов не должен нагреваться более 95 % от максимального значения, приведенного в паспорте;

• используемые резисторы должны иметь запас по мощности не менее 30 % от паспортного значения;

• изменение параметров элементов по максимально допустимым значениям напряжения и тока не должно быть более 10 % при температуре +50 °C.

При любом повреждении цепи первичного преобразователя никакие части источника не должны воспламеняться, создавать задымление, вызывать различного рода шум, печатная плата не должна обугливаться и иметь оплавленные проводники.

Большинство производителей ИИП придерживается определенных стандартов, унификации.

К примеру, в ИИП для ПК нового поколения 20-контактный разъем предназначен для подключения к системной плате персонального компьютера.

Тип такого разъемного соединителя — MOLEX 39 01 2200 или аналогичный. Разводка разъема стандартизована.

В табл. 2.2 приведена разводка вторичных напряжений и служебных сигналов по контактам этого разъема.

Таблица 2.2. Разводка системного разъема питания современного системного блока компьютера

С помощью 4-контактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным АМР 1 480424 0 либо MOLEX 8981 04Р.

Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах разъемов следующие:

1 — желтый, +12 В;

2, 3 — черные, общий;

4 — красный, +5 В.

Самые маленькие ответные части разъемов типа АМР 171822 4 предназначены для соединения с другими устройствами и блоками. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для них следующие:

1 — красный, +5 В;

2, 3 — черный, общий;

4 — желтый, +12 В.

К примеру, для ИИП с выходной мощностью более 500 Вт применяется дополнительный разъем типа MOLEX 90331 0010. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для него:

1, 2, 3 — черные, общий;

4, 5 — коричневый или оранжевый, +3,3 В;

6 — красный, +5 В.

На корпусе источника питания наклеена этикетка, на которой приведена цветовая маркировка проводников вторичного питания.

К выходу сетевого фильтра подключается выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме. В его состав входит селектор входного питающего напряжения — переключатель, установленный в корпусе источника питания. Позиции переключателя обозначены на его движке.

Положение переключателя определяется по маркировке, которая видна через специальное окошко. С его помощью осуществляется выбор номинала напряжения питающей сети 115 или 220 В.

Нагрузкой выпрямителя являются полумостовой усилитель мощности основного высокочастотного преобразователя напряжения первичной сети и маломощная схема автогенераторного вспомогательного источника.

Во вторичную цепь AB И включена схема линейного параметрического стабилизатора для формирования напряжения +5 В, обеспечивающая питание элементов компьютера в течение дежурного режима.

Для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности подключен импульсный трансформатор Т3. Позиционное обозначение трансформатора соответствует принципиальной схеме источника питания. Импульсные напряжения со вторичных обмоток трансформатора поступают на блок выпрямителей.

В схемах выпрямителей вторичных напряжений используются диоды различных модификаций, что определяется номинальной токовой нагрузкой каждого отдельного канала.

Во вторичном канале напряжения +3,3 В введен дополнительный и достаточно эффективный стабилизатор.

Регулировка вторичных напряжений реализуется с помощью схемы обратной связи, электронный узел которой, в свою очередь, подключен к выходам блока фильтров.

Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения.

После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем ШИМ-каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении.

В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Воздействие на ШИМ-регулятор оказывается не только при изменении вторичных напряжений в пределах диапазона регулирования, соответствующего нормальной работе, но и в случае возникновения экстренной ситуации (неконтролируемого увеличения или снижения напряжений на нагрузке).

Ключевая СИП воздействует на ШИМ-модулятор, блокируя его работу в случае возникновения аномальных процессов в цепи нагрузки.

К схемотехнике компьютерных блоков питания мы еще вернемся позже, когда будем рассматривать частные варианты защиты ИИП.

В этом случае схема подключения питающего напряжения выглядит так, как показано на рис. 2.7. Переключатель S1 на этом рисунке показан в замкнутом положении.

Согласно схеме, приведенной на рисунке, в активной выпрямительной схеме реально работают только диоды D12 и D14. Диоды же

D11 и D13 не влияют на состояние схемы, так как они оказываются шунтированными замкнутым переключателем S1.

Такой вид выпрямителя известен как схема с удвоением входного напряжения. Выходное выпрямленное напряжение будет иметь значение 325 В.

Рис. 2.7. Схема подключения питающего напряжения

Условия работы основных каскадов по напряжению первичного питания сохранены и выполняются. Общая мощность потребления переменного тока источником питания от сети при изменении напряжения сохраняет свое значение.

Но при питании от напряжения 115 В ток потребления возрастает примерно в 2 раза (по сравнению с аналогичными условиями работы при питании источника от напряжения 220 В).

К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора С5 будет стремиться к значению 220 В х 1,41 х 2 = 620 В.

Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра С5 и С6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В; предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.

Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В.

Условия работы схемы не будут выполнены, и преобразователь не запустится.

Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания.

Контроль уровня входного напряжения выполняется с помощью 2 варисторов Z1 и Z2 (на некоторых схемах и платах обозначены как ZU), установленных во входной цепи источника питания.

Внимание, важно!

Варисторы — нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения.

Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, — 07D241.

Первый варистор Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.

Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов С5 и С6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора.

Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжения на Z2, его сопротивление уменьшится, и предохранитель F1 сгорит.

Принцип работы

Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем.

После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11-D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами С5, С6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя; последний выполнен на транзисторе Q3.

Если выпрямленное питающее напряжение превышает 180 В х 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3.

В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Тб, ко вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ-формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5 VSB).

Один вывод вторичной обмотки трансформатора Тб подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ-канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора Тб.

Выпрямитель ШИМ-формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5 VSB) образован диодом D8 и конденсатором С14 соответственно.

При поступлении питания ШИМ-преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности.

Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме.

Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени.

Включение транзисторов в полумостовой схеме требует, чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя.

Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ-регулятора.

С вторичных обмоток трансформатора ТЗ импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходят их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания.

К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ-преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени.

Устройство всех основных узлов импульсного источника: автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3, ШИМ-регулятор и относящиеся к нему цепи, усилитель мощности, каналы вторичных напряжений, цепи защиты источника питания.

Набор этих узлов является типовым для блоков питания АТХ формфактора. Их построение у разных фирм-производителей может отличаться в деталях, но основные принципы остаются неизменными. Ниже приводится информация, которая может служить практической базой для изучения и работы с аналогичными ИИП.

Большой плюс ИИП в том, что он стабильно работает при изменении сетевого напряжения в широких пределах. От такого источника питания мощностью от 400 Вт и выше можно получить полезный ток нагрузки 15–17 А и выше, а в импульсном (кратковременном режиме повышенной нагрузки) — до 30 А. Такие ИИП выполнены на микросхемах 2003, AT2005Z, SG6105, КА3511, LPG-899, DR-B2002, IW1688; содержат меньшее количество дискретных элементов на плате, имеют меньшую стоимость, чем построенные на основе популярного ШИМ микросхемы TL494.

 

2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП

Одним из основных преимуществ ИИП является возможность преобразования первичной электрической энергии с более высоким КПД, по сравнению с обычными трансформаторными источниками питания. Чаще всего это достигается за счет стабилизации выходного напряжения воздействием на процесс функционирования силового усилительного каскада преобразователя напряжения. Только в многоканальных ИБП с различными нагрузочными возможностями каналов при необходимости применяются дополнительные линейные или импульсные стабилизаторы вторичного напряжения.

Для стабилизации величины выходного напряжения в ИИП, задействованных в системе преобразования от нетрадиционных источников питания, используются методы регулирования количества энергии, поступающей во вторичную цепь. Основными среди них являются: ШИМ (широтно-импульсная модуляция), ЧИМ (частотно-импульсная модуляция) и РСН (релейная стабилизация напряжения).

Эти методы отличаются способами воздействия на силовой (усилительный) каскад высокочастотного преобразователя, активные элементы которого работают в ключевом режиме. Как правило, система управления выполняется на маломощных компонентах, представляющих собой комбинацию аналоговых и цифровых элементов.

Согласно рис. 2.2, узел регулирования состоит из:

• измерительной цепи, определяющей отклонение напряжения нагрузки от номинального значения;

• схемы управления — формирователя конечной формы ВЧ-сиг-нала, непосредственно воздействующего на силовые элементы преобразователя. В состав этого узла включены элементы, которые согласуют уровни сигналов и нагрузочную способность каскадов;

• задающего генератора — маломощная схема формирования колебаний с базовыми характеристиками, которые подвергаются изменениям в схеме управления.

Принцип действия ШИМ-стабилизации заключается в изменении длительности импульсов, усиливаемых силовым каскадом, без коррекции собственно частоты колебаний и их амплитуды. Длительность импульсов, формируемых схемой управления, должна быть обратно пропорциональна величине напряжения на нагрузке.

В отличие от предыдущего способа, ШИМ-стабилизация характеризуется модификацией частоты управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов.

В релейной системе стабилизации цепи управления отслеживают изменения напряжения на нагрузке, и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки.

Способ ШИМ-стабилизации, несмотря на некоторые схемотехнические усложнения узла, по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике.

Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ-регуляторы имеют следующие преимущества:

• обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;

• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.

И в этом случае структурная схема ШИМ-регулятора и его подключение к каскадам ПН представлены на рис. 1.12.

Напряжение на нагрузке в общем случае может быть произвольным, и поэтому устройство сравнения подключается к ней через делитель напряжения.

Кроме того, предполагается, что напряжение на нагрузке находится в пределах, определяемых диапазоном регулировки, и во время работы в ней не возникает внештатной ситуации (короткое замыкание и т. п.).

Устройство сравнения вырабатывает сигнал рассогласования, знак которого определяется соотношением сравниваемых входных сигналов — опорного напряжения и напряжения с выхода делителя напряжения.

После необходимого усиления сигнал рассогласования U и сигнал специальной формы U, выдаваемый формирователем опорного сигнала, подаются на второе устройство сравнения и компаратор напряжения. Компаратор выполняет квантование входного сигнала рассогласования. После компаратора сигнал управления U приобретает форму импульсов с заданными частотой и длительностью.

Устройство согласования выполняет усиление импульсного сигнала управления до уровня и мощности, необходимой для возбуждения усилителя мощности. Временное положение выходных импульсов компаратора относительно сигнала специальной формы зависит от выбранного метода формирования последнего.

Формирователь сигналов специальной формы может генерировать три вида сигналов заданной частоты: треугольной формы, прямой пилы (положительное нарастание напряжения) и обратной пилы.

На устройстве сравнения 2 проводится сопоставление текущих значений усиленного сигнала рассогласования напряжений.

Фронт (начало) импульса появляется, когда результирующее напряжение сравнения U совпадает с некоторым значением напряжения А. Спад (окончание) импульса формируется при значении U, равном — А. Этот эффект называют гистерезисом. Параметры гистерезиса зависят от скорости изменения напряжения U, а инерционность срабатывания элементов определяется временем рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах. В случае генерации сигнала треугольной формы сформированная импульсная последовательность имеет некоторое отклонение от частоты исходного сигнала специальной формы.

По рис. 2.8 видно, что при совпадении величин этих сигналов происходит срабатывание компаратора.

Импульс положительного напряжения на его выходе появляется в момент превышения напряжением U импульсной последовательности как по длительности импульса, так и по частоте его следования.

Формирование импульсного напряжения на выходе компаратора происходит с некоторым запаздываем по времени и уровню, что отражает реальную картину управляющей последовательности с модуляцией положения фронта импульса. В данном случае производится генерация пилообразного сигнала с положительным нарастанием напряжения.

Рис. 2.8. Структурная схема стабилизатора напряжения

Пример оптронного стабилизатора для преобразователя напряжения

Схема оптронного стабилизатора сетевого напряжения представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Пример электрической схемы оптронного стабилизатора

Предлагаемая схема стабилизатора сетевого напряжения отличается от ранее описанных тем, что обратная связь по напряжению организована с помощью оптрона. За счет инерции осветительного прибора, входящего в оптрон ОЭП2, достигается некоторый гистерезис, обязательный в схемах с обратной связью. Без гистерезиса будет происходить релаксация схемы, которая будет выражена в мерцании лампочки HL1, которая является в данной схеме нагрузкой.

Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 2.9.

В момент включения сетевого напряжения синусоидальное напряжение, ограниченное резистором R4, поступает на диодный мост VD1. На нагрузке напряжение отсутствует, поэтому сопротивление оптрона велико, транзистор VT1 открывается за счет смещения поступающего с резистора R6. Ток, протекая через резистор R5 и открытый транзистор VT1, заряжает емкость С1. В тот момент, когда напряжение достигнет уровня пробоя аналога динистора, собранного на деталях VT2, VT3, R7, R8, конденсатор С1 разрядится на первичную обмотку импульсного трансформатора Т1. В результате импульс со вторичной обмотки откроет симистор VS1. Время скорости зарядки емкости, а значит, и время открывания симистора зависят от сопротивления R5 и сопротивления перехода эмитер-коллектор транзистора VT1.

При закрывании этот транзистор мы уменьшаем напряжение на нагрузке, что и происходит за счет уменьшения сопротивления резистора оптрона. Порог, на котором наступит баланс, регулируют резистором R2, находящимся за датчиком выходного напряжения.

Налаживание такого устройства заключается в установке максимального напряжения при помощи резистора R5 при отключенном проводе от потенциометра R2 и оптрона Ш.

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце М2000НМ размером К20х12х6. Первичная обмотка состоит из 100 витков, а вторичная — из 60 витков провода ПЭВ1 диаметром 0,15 мм.

 

2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных источников электропитания

Высокоточные, надежные, бесшумные, с плавной регулировкой стабилизаторы напряжения серии Orion охватывают диапазон мощностей 2 кВА…450 кВА. Выпускаются модели как с регулировкой по среднефазному значению выходного напряжения (серия А), так и с независимой регулировкой по каждой фазе (серия Y). Эти модели широко используются в системах преобразования электроэнергии от альтернативных источников.

На рис. 2.10 представлен внешний вид такого стабилизатора.

Рис. 2.10. Стабилизатор мощностью 7 кВА

Модели серии А (с регулировкой по среднефазному напряжению) являются более простыми устройствами и используются исключительно для питания трехфазных нагрузок. В то же время модели серии Y (с независимой регулировкой по каждой фазе) рекомендуется применять для работы с сегментированными однофазными нагрузками (для которых требуется наличие нулевого провода) или с несбалансированными трехфазными нагрузками.

Существуют следующие модификации стабилизаторов напряжения, различающиеся допустимым диапазоном изменения входного напряжения: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, -25 %/+15 %, -35 %/±15 %, -45 %/±15 %.

При этом точность стабилизации выходного напряжения составляет ±1 %. Чем шире диапазон стабилизации, тем больше вес и габариты устройства, а также выше его стоимость.

Модели с независимой регулировкой представляют собой три независимых однофазных стабилизатора. Их конструкция и принцип действия полностью аналогичны однофазным моделям. Клеммные панели размещаются отдельно в нижней части корпуса, что проиллюстрировано на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Вид внутри корпуса стабилизатора

Стабилизаторы монтируются в металлическом корпусе, установленном на колесах для удобства перемещения.

Кроме систем преобразования электроэнергии от нетрадиционных (альтернативных) источников питания, рассматриваемые стабилизаторы применяются для защиты следующих объектов: загородные дома, коттеджи, промышленные предприятия, технологические линии, административные здания, гостиницы, отели, медицинские центры, серверные помещения и др.

Основными техническими особенностями этого класса электронных приборов являются плавность и высокая точность регулировки напряжения, быстродействие, малый уровень шума, пожаробезопасность.

Наличие встроенного цифрового мультиметра позволяет оперативно контролировать все основные параметры входного и выходного напряжений, а также нагрузки. Регулировка осуществляется с помощью подстроечных резисторов, установленных внутри корпуса стабилизаторов, согласно иллюстрации, представленной на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Вид на подстроечные резисторы реп/лировки режимов стабилизатора

 

2.5.1. Проверка устройства и подготовка к работе

Для предотвращения появления конденсата перед подключением стабилизатора следует выдержать время не менее 2 часов (такая мера оправдана, если транспортировка прибора проводилась при отрицательной температуре).

Установить стабилизатор напряжения на твердой горизонтальной поверхности в помещении, защищенном от строительной пыли, агрессивных газов и легковоспламеняющихся материалов.

Заземлить корпус стабилизатора.

Подключить в сеть 220 В соответствующую пару входных клемм на задней панели стабилизатора.

Установить автоматический выключатель в положение «включено» примерно на 10 секунд (вольтметр выходного напряжения должен показывать 220 В).

Установить автоматический выключатель в положение «выключено».

Подключить нагрузку к выходным клеммам, убедиться в надежности контактных соединений.

Установить автоматический выключатель в положение «включено», после этого загорится световой индикатор «нормальная работа».

 

2.5.2. Возможные неисправности

Возможные неисправности стабилизаторов напряжения, работающих в системе преобразования электроэнергии от нетрадиционных источников, приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Типичные неисправности стабилизаторов напряжения, работающих в системе преобразования электроэнергии от нетрадиционных источников

 

2.6. Соединение преобразователей и ИИП в параллельной электрической схеме

Особый разговор, заслуживающий внимания, об увеличении мощности уже имеющегося стабилизатора за счет параллельного подключения дополнительного стабилизатора.

Некоторые специалисты считают, что если купить стабилизатор, скажем, на 15кВт и если не будет хватать мощности или появятся еще потребители (новая техника), то еще один и включить параллельно (один в другой) — см. рис. 2.13.

Благодаря такому включению предполагается на выходе получить суммарную мощность двух и более стабилизаторов. Это не совсем правильно.

Рис. 2.13. Вид на два ИИП, включенных параллельно

Внимание, важно!

При последовательном соединении стабилизаторов мощность не будет суммироваться, на выходе получится мощность самого слабого стабилизатора в цепи. На конкретном примере: если мы подключаем параллельно стабилизаторы мощностью, к примеру, 5 кВт + 10 кВт +15 кВт, то на выходе мы получим 5 кВт по самому слабому стабилизатору в сети.

Необходимость в параллельном соединении источников питания (ИП) возникает обычно по одной из следующих причин:

1. резервирование ИП для увеличения надежности работы бытовой (в т. ч. радиоэлектронной) аппаратуры;

2. увеличение общей выходной мощности ИП.

Примеры для обоих случаев очевидны и известны из практики. Так, резервирование ИП применяют в военной технике, на конвейерных электролиниях, в железнодорожном и электротранспорте. В быту резервированием ИП можно назвать применение источников бесперебойного питания (ИБП) в устройствах охраны и сигнализации, а также в компьютерной технике. Увеличение выходной мощности путем параллельного подключения ИП оправдано для питания мощной нагрузки, например радиопередатчика (трансивера) с максимальным током потребления более 20 А.

В большинстве случаев параллельное соединение источников требует реализации функции распределения тока между ними.

Защита источников без распределения тока

Такая защита часто необходима, когда требуется избежать нежелательной поломки электронных устройств вследствие отказа ИП. С этой целью соединяют два ИП параллельным способом, представленным на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Способ параллельного соединения ИП

Допустим, ИП-2 настроен на более низкое выходное напряжение относительно ИП-1. Поэтому только первый источник питания PS1 поставляет ток в нагрузку, так как только его последовательный диод проводит ток.

Мощность на нагрузке создается только одним ИП, а не является удвоенной.

Напряжение нагрузки равно напряжению источника питания минус падение напряжения на диоде (Un — U VD1). ИП-2 при этом

находится в режиме ожидания под более низким напряжением и в случае прекращения работы ИП-1 вместо него поставляет ток в нагрузку.

При такой схеме соединения источников напряжение на нагрузке снижается при росте тока нагрузки (LOAD REGULATION), а падение напряжения на проводящем диоде растет по мере повышения тока («естественное распределение тока»).

Главным недостатком данной схемы является нестабильность напряжения на нагрузке.

При изменении тока нагрузки (LOAD REGULATION) падение напряжения на диоде колеблется от О В без нагрузки до 0,6 В под нагрузкой. Это падение напряжения уменьшает напряжение на нагрузке в зависимости от выходного тока. Поэтому эта конфигурация не используется при напряжениях ниже 12 В, когда падение напряжения на диоде составляет значительную долю от напряжения на выходе.

В этой схеме из-за отличия напряжений источников нет возможности применять корректирующие линии SENSE, так как ИП, настроенный на более низкое напряжение и находящийся в режиме ожидания, обнаружив в своих линиях SENSE повышенное по отношению к своей настройке напряжение, сразу прекратит процесс преобразования.

Защита источников с распределением тока

Для того чтобы при защите иметь стабильное напряжение на нагрузке, необходимо ввести «активное распределение тока» между ИП. При параллельном соединении источников добавляется специальная линия распределения тока, которая соединяет между собой соответствующие терминалы источников питания. Такое соединение выполняется по схеме на рис. 2.15.

В этой схеме линии SENSE обоих источников подсоединены к нагрузке и между источниками питания включена линия распределения тока (PC). Каждый из источников питания отдает нагрузке половину своей мощности.

Источники должны быть настроены по напряжению как можно ближе друг к другу, а сопротивления соединительных проводов от каждого из источников к нагрузке должны быть равны друг другу.

Эта конфигурация позволяет соединять в параллель более ИП (N + 1), когда дополнительно включается еще один резервный ИП, который в случае неисправности одного из источников начинает работать вместо отказавшего источника.

Рис. 2.15. Схема с линией распределения тока

Принцип работы устройства с активным распределением тока

ИП на выходе контролирует напряжение путем сравнения напряжения, измеряемого на линиях SENSE, с внутренним эталонным напряжением. Для того чтобы источник мог эффективно делить ток с другим источником, он должен непрерывно получать информацию о своём токе и о токе другого источника. Эту информацию источник обрабатывает и использует во время контроля и регулирования выходного напряжения. При этом, если ток источника слишком велик, его выходное напряжение начнет снижаться, и наоборот. Фактически поступает информация о разности токов двух источников, в случае положительной разности токов следует понизить напряжение источника, в случае отрицательной разности — повысить это напряжение. В это же время соседний источник питания получает информацию, обратную по знаку, и выполняет обратные действия. Так осуществляется балансировка токов источников.

При параллельном соединении более чем двух ИП число переменных, участвующих в процессе распределения тока между ними, велико (каждый источник нуждается в информации о своём токе и токе всех остальных).

Поскольку каждый из источников осуществляет контроль и регулирование выходного напряжения и тока на основании всех переменных, то появляется опасность, что такой сложный контур регулирования может потерять стабильность, поэтому количество источников, включаемых параллельно по такой схеме соединения, ограничено.

 

2.6.1. Особенности электрической цепи при параллельном соединении

Фактически каждый источник питания представляет источник напряжения, зависящий от его тока. Положительный терминал выходного напряжения соединен с точкой контроля выходного напряжения, а отрицательный терминал выходного напряжения — с отрицательным терминалом выходного напряжения соседнего источника питания.

Разность между V(I1) и V(I2) влияет на распределение напряжения между источниками так, что если она положительна, выходное напряжение первого источника должно падать, чтобы сохранять положение, когда точка контроля равняется эталонному напряжению.

Соединение для получения большей мощности

Для получения высокой мощности от двух ИП их соединение выполняется по схеме на рис. 2.16.

В этой схеме так же, как и в предыдущей, ИП соединяются между собой линией распределения тока. Без активного распределения тока параллельное соединение источников не будет нормально функционировать из-за очевидной разницы выходных напряжений ИП. Вследствие этой разницы ИП с более высоким выходным напряжением выдает на выходе максимально возможный для него ток. Подключение к мощной нагрузке приводит к тому, что в какой-то момент времени максимальный ток ИП оказывается недостаточен.

При ограничении тока напряжение источника начинает снижаться. Это заставит источник питания с более низким выходным напряжением поставлять необходимый остаток тока.

При введении активного распределения тока необходимо следить за тем, чтобы общая мощность ИП была таковой, чтобы ни от одного из источников не требовалось более 90 % от расчетного (для него) максимального тока.

Рис. 2.16. Электрическая схема соединения двух ИП в параллель

 

2.6.2. Технологическая схема подключения однофазного стабилизатора

Вариант первый: подключение однофазного стабилизатора после преобразователя в системе нетрадиционных источников питания.

Такое подключение чаще всего делается, когда требуется подключить весь дом (потребителя) к одному источнику питания.

От стабилизатора ведется разводка по потребителям. Важно подводить фазу к фазе, ноль к нулю.

Вариант второй: подключение однофазного стабилизатора с разъемным соединением по выходу.

Такое подключение делается, когда недостаточно мощности однофазного стабилизатора (стабилизаторы максимальной мощности 10 кВт), и требуется более мощный стабилизатор, при этом планируется использовать его на один или несколько потребителей.

На рис. 2.17 представлена блок-схема включения стабилизатора.

Рис. 2.17. Блок-схема включения стабилизатора

В стабилизатор на вход подводится провод, на другом конце которого установлена вилка, на выход ставится провод, на конце которого устанавливается розетка. В данном случае фаза с нулем роли не играют.

Длину провода устанавливайте нужной и удобной в каждом конкретном случае.

 

2.6.3. Схема подключения трехфазного стабилизатора

Электрическая схема подключения трехфазного стабилизатора напряжения представлена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Электрическая схема подключения трехфазного стабилизатора напряжения

 

2.6.4. Контрольно-измерительные приборы и защита от короткого замыкания

Стабилизаторы напряжения серии Orion оснащены цифровым мультиметром с селекторным переключателем фаз для измерения значений выходных фазовых (N-L) и линейных (L1-L2) напряжений. Старшие модели стабилизаторов (мощность свыше 75 кВА) имеют дополнительный амперметр. Для защиты от короткого замыкания и перегрузки по выходу силовые цепи устройств снабжены автоматическими размыкателями, а схемы управления защищены плавкими предохранителями.

На пульте управления стабилизаторов напряжения располагаются три светодиодных индикатора входного фазового напряжения, а также шесть индикаторов, указывающих, какое из возможных выходных напряжений показывает цифровой вольтметр в настоящее время. В случае перегрузки по выходу срабатывает аварийная звуковая сигнализация.

 

2.6.5. Модели с расширенным диапазоном стабилизации

Существуют следующие стандартные модификации стабилизаторов напряжения, различающиеся допустимым диапазоном изменения входного напряжения: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, -25 %/+15 %, 35 %/+15 %, -45 %/+15 %. Чем шире диапазон стабилизации, тем больше вес и габариты устройства, а также выше его стоимость.

В табл. 2.4 представлены некоторые популярные модели трехфазных электродинамических стабилизаторов Orion с разными диапазонами изменения выходного напряжения (допуска).

Таблица 2.4. Популярные модели стабилизаторов Orion с разными диапазонами изменения выходного напряжения (допуска)

В табл. 2.5 представлены трехфазные стабилизаторы напряжения с независимой регулировкой по каждой фазе.

Таблица 2.5. Трехфазные стабилизаторы напряжения с независимой регулировкой по каждой фазе

Для наглядного примера стабилизаторы напряжения серии

ORION и их технические характеристики представлены в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Стабилизаторы напряжения серии ORION и их технические характеристики

В табл. 2.7 представлены мощные стабилизаторы напряжения серии ORION Y

Таблица 2.7. Технические характеристики мощных стабилизаторов напряжения серии ORION Y

 

2.7. Преобразователи напряжения для альтернативных источников питания

Устройства, специально выпускаемые для использования в быту, рассчитаны на питание от осветительной сети 220 В 50 Гц переменного тока или (адаптировано) бортовой сети автомобиля (12 В постоянного тока). Именно они являются маломощными потребителями системы энергоснабжения на базе альтернативных (нетрадиционных) источников питания.

Как же быть в ситуациях, когда требуется включить обычный бытовой прибор, требующий напряжения 220 В, если поблизости, кроме относительно мощного автомобильного аккумулятора, нет никаких источников электроэнергии?

Не возить же с собой повсюду бензоэлектрогенератор — громоздкий, тяжелый, который требует запаса топлива, да и время готовности у него, мягко говоря, не маленькое.

Выручат в этих случаях инверторы — преобразователи энергии, превращающие постоянное напряжение 12 В в переменное 220 В (частотой 50 Гц).

Главное условие для их работы — наличие автомобильного аккумулятора достаточно большой емкости (от 10 А/ч и выше). Инверторы с допустимой мощностью потребителей до 2 кВт подключаются с помощью соответствующего разъема к гнезду прикуривателя автомобиля, более мощные модели (свыше 200 Вт) — непосредственно к клеммам АКБ с помощью кабеля большого сечения с аккумуляторными зажимами на конце.

В ранних версиях (первых моделях) инверторах мощный генератор напряжения частотой 50 Гц работал на низкочастотный повышающий трансформатор.

Со вторичной обмотки трансформатора снималось выходное напряжение 220 В. В более поздних версиях (см. рис. 2.13) высокочастотный генератор (частота — от 20 до 100 кГц) работает на импульсный повышающий трансформатор. С выхода трансформатора напряжение выпрямляется, фильтруется и далее уже коммутируется мощными транзисторами с частотой 50 Гц.

Первый тип преобразователя напряжения имеет большие габариты и вес из-за массы низкочастотного трансформатора, но надежен, имеет хорошую перегрузочную способность и ремонтопригодность. Второй — значительно дешевле и легче.

Кроме того, инверторы различаются по форме генерируемого переменного напряжения. Многие из них выдают так называемую «модифицированную синусоиду», скорее напоминающую меандр (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Форма импульсов «модифицированной синусоиды»

Такие инверторы подойдут для питания большинства обычных бытовых приборов: утюгов, электрических плиток, электроинструмента и т. д. В качестве примера можно привести линейку преобразователей серии «Саг».

Их параметры приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8. Инверторы модельного ряда Саг

Но существуют приборы, требовательные к форме напряжения (телевизоры, аудиотехника и пр.).

Для них выпускаются инверторы с синусоидальным выходным напряжением, максимально приближенным по форме к напряжению в бытовой электросети. Конечно, эти инверторы сложнее в производстве и, соответственно, дороже.

Чтобы преобразователь смог обеспечить работу подключаемых в качестве нагрузки приборов, необходимо хотя бы приблизительно рассчитать суммарную нагрузку и выбрать инвертор необходимой мощности. Потребляемую мощность электроприбора обычно маркируют на задней панели или указывают в технической документации. В расчетах следует учесть, что при одновременном подключении нескольких приборов (через тройник или удлинитель) общая потребляемая мощность суммируется.

Электроприборы по характеру нагрузки можно разделить на две группы.

Первая группа — это приборы, мощность которых практически постоянна. К ним относятся лампы накаливания, нагреватели, телевизоры, компьютеры и т. п.

Для приборов этой группы можно выбирать инвертор с максимально допустимой мощностью, немного превышающей номинальную мощность приборов.

Вторая группа характеризуется тем, что стартовая нагрузка электроприборов при включении может превышать постоянную нагрузку в несколько раз (холодильники, насосы, электродвигатели, мощные энергосберегающие лампы с встроенным преобразователем и др.).

Современные преобразователи напряжения имеют защиту от перегрузок, которая постоянно срабатывает при включении таких и подобных им электроприборов, если мощность инвертора выбирается исходя из номинальной мощности нагрузки.

Следовательно, для такого оборудования лучше ориентироваться на двойной или тройной запас по мощности инвертора.

Следует учитывать и то обстоятельство, что мощность, указанная на инверторе, — величина весьма приблизительная.

Подключение нагрузки к инвертору имеет некоторые особенности, поэтому важно, чтобы инвертор имел функцию автоматического отключения при достижении на входе (клеммах АКБ) минимально допустимого напряжения (10,5±0,5 В).

В табл. 2.9 приведена требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и типа инвертора.

Таблица 2.9. Требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и инвертора

Время работы электроприбора Т от инвертора, подключенного к аккумулятору, зависит от потребляемой мощности электроприбора, емкости аккумулятора, коэффициента полезного действия инвертора (КПД) и рассчитывается по формуле:

Т = 12С КПД/Р (час),

где 12 — напряжение аккумулятора, В;

С — емкость аккумулятора, А час;

Р — мощность нагрузки, Вт.

Для приборов, потребляющих постоянную мощность, равную номинальной (обозначенной на них), примерное время работы можно рассчитать по формуле:

Т = 8,5С/Р (час),

где С — емкость батареи, А час;

Р — мощность подключенных устройств, Вт.

Следует помнить еще, что аккумуляторы обладают так называемой «остаточной емкостью». Например, если, используя аккумулятор емкостью 90 А/ч, «погонять» газонокосилку мощностью 1 кВт в течение 45 мин, инвертор выключится, поскольку напряжение АКБ «подсядет». Но, уменьшив нагрузку до 500 Вт (подключив, скажем, электродрель), можно поработать ею столько же по времени. Потом можно подключить нагрузку 300 Вт, затем 130, 60, 30 Вт и т. д.

Конечно, расходование 100 % энергии аккумулятора не рекомендуется, т. к. его ресурс в этом случае заметно сокращается.

При длительном (более 2 часов) подключении инвертора с достаточно мощной нагрузкой к аккумулятору (при неработающем двигателе) он заметно разряжается.

Для примера в табл. 2.9 и 2.10 представлены расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (для полностью заряженной АКБ СТ-55А номинальной емкостью 55 А/ч).

Таблицы 2.10 и 2.11 пригодятся для расчета времени работы системы энергоснабжения от нетрадиционных источников (солнце и ветер) в то время, когда нет ни солнечной активности, ни ветра. Такое состояние в природе иногда происходит — безветренная ночь.

Таблица 2.10. Расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии

Таблица 2.11. Расчетные значения времени разряда мощных АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (продолжение)