3. Вторичные источники электропитания

3.1. Нестабилизирующие ивэп

Для питания электронного оборудования обычно требуется постоянное напряжение. Если питаемое устройство допускает изменение питающего напряжения в пределах ±10…15%, а в качестве первичного источника используется сеть переменного тока, то источник питания можно выполнить как выпрямитель, подключенный к сети через трансформатор. На трансформатор в таком источнике возлагаются функции согласования напряжения сети с выходным напряжением источника и гальванической развязки выходной цепи источника от сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное. В необходимых случаях для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры.

Из большого числа схем выпрямителей выберем лишь наиболее часто применяемые в источниках электропитания средств вычислительной техники. Их схемы изображены на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Однополупериодная схема (рис.3.1,а) ис­пользуется редко, обычно при выходной мощности до 1…2 Вт и в тех случаях, когда допускается сравнительно высокий коэффициент пульсаций. До­стоинством схемы является минимальное число диодов, недостатком−низкая частота пульсаций, равная частоте напряжения сети. При наличии трансформатора имеет место неполное его использование и подмагничивание магнитопровода постоянным током.

Двухполупериодные схемы с выводом нулевой точки (рис.3.1,б) и мостовая (рис.3.1,в) широко ис­пользуются при выходной мощности до нескольких киловатт. Достоинством двухполупериодных схем является вдвое большая частота пульсаций выпрямленного напряжения и меньшее напряжение пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой.

Удвоитель напряжения (рис.3.1,г) применяется для увеличения почти в два раза постоянного выходного напряжения без применения трансформатора. Например, в источниках питания персональных компьютеров переключение схемы выпрямления с мостовой на удвоитель позволяет питать компьютер как от сети с напряжением 220 В так и от сети с напряжением 110 В.

Рассмотрим более подробно работу двухполупериодных схем. Диаграммы, поясняющие их работу, приведены на рис.3.2.

Для обеих схем временные диаграммы одинаковы. Переключение диодов в обоих случаях происходит в моменты перехода напряжения сети через ноль, в моменты времени t₀, t₁, t₂. Отличие в режимах работы состоит в том, что в схеме с нулевой точкой в любой полупериод открыт один диод, а в мостовой схеме − два. Для равенства выходного напряжения необходимо, чтобы напряжение вторичной обмотки мостовой схемы было равно напряжению каждой из вторичных полуобмоток схемы с нулевой точкой. Пренебрегая падением напряжения на диодах среднее значение напряжения холостого хода на нагрузке найдем интегрируя кривую u_н (t) за половину периода пульсаций

,

где U₂ − действующее значение напряжения вторичной обмотки (полуобмотки).

С увеличением тока нагрузки напряжение на выходе выпрямителя будет уменьшаться из-за падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлении обмоток трансформатора и на диодах выпрямителя.

Сравнивая двухполупериодные схемы можно отметить следующее. Так как в мостовой схеме ток в любой момент времени протекает через два диода, включенных последовательно, а в схеме с нулевой точкой через один, потери в диодах мостовой схемы в два раза больше. С другой стороны из−за согласного включения вторичных полуобмоток трансформатора схемы с нулевой точкой обратное напряжение, прикладываемое к ее диодам в два раза больше, чем в мостовой при одинаковом выходном напряжении. Кроме того, в полуобмотках схемы с нулевой точкой ток протекает только в один полупериод, что увеличивает габариты трансформатора. Исходя из этого, можно сделать вывод, что схему с нулевой точкой целесообразно использовать при выпрямлении низких напряжений (соизмеримых с падением напряжения на диодах выпрямителя). Мостовая схема предпочтительней при высоких (сотни вольт) напряжениях на нагрузке.

Выходное напряжение двухполупериодных выпрямителей пульсирует от нуля до максимального. Электронное оборудование в большинстве случаев не способно работать при таких колебаниях питающего напряжения. Снизить (сгладить) пульсации позволяют сглаживающие фильтры. В качестве элементов сглаживающих фильтров используют реактивные элементы: конденсаторы и дроссели. Сглаживающее действие основано на их способности запасать и отдавать накопленную энергию. В конденсаторах энергия запасается в диэлектрике в виде энергии электрического поля. В дросселях энергия запасается в магнитопроводе в виде энергии магнитного поля.

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, подключенный параллельно нагрузке (рис.3.3,а). Временные диаграммы напряжения на нагрузке и суммарного тока диодов приведены на

а) б)

Рис.3.3

рис.3.3,б. Поскольку конденсатор способен заряжаться и сохранять напряжение, включение очередного диода произойдет не в момент перехода сетевого напряжения через ноль, а в момент t₁, когда напряжение вторичной обмотки, возрастая, станет равным напряжению конденсатора С_ф. Выключение диода произойдет в момент времени t₂ , когда напряжение конденсатора станет больше напряжения вторичной обмотки. Ток диодов будет иметь вид коротких импульсов с амплитудой значительно большей, чем амплитуда тока диодов в отсутствии конденсатора.

Определим пульсации выпрямленного напряжения если τ_н = С_фR_н»Т/2. В этом случае интервал разряда конденсатора t₃-t₂ ≈ T/2 и размах пульсаций ∆U_н~ ≈ TI_н/2C_ф=U₀/2R_нC_ф f, где f−частота питающего напряжения. Амплитуду пульсаций определим как половину размаха, а коэффициент пульсаций по амплитудному значению переменной составляющей выходного напряжения К_п= ∆U_н~ / 2U_o= 1/4 R_нC_ф f. Из этого выражения видно, что сглаживающее действие емкостного фильтра пропорционально емкости конденсатора фильтра и сопротивлению нагрузки. Емкостной фильтр нашел широкое применение в источниках питания, но особенно эффективен он при относительно больших напряжениях на выходе выпрямителя и высокоомной нагрузке.

Индуктивный фильтр представляет собой дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (рис.3.4,а). Временные диаграммы на-

а)

б)

Рис.3.4

пряжения на входе фильтра и тока дросселя приведены на рис.3.4,б. В выпрямителе с индуктивным фильтром переключение диодов происходит в моменты перехода через ноль напряжения вторичных полуобмоток. Форма тока диодов приближается к прямоугольной с длительностью в полпериода. Пульсации выходного напряжения определим, считая дроссель и нагрузку делителем переменного напряжения

U_н~= U_вх~R_н/√(R_н² +ω₁L_ф²),

где U_вх~− первая гармоника пульсаций напряжения на входе фильтра, ω₁−угловая частота первой гармоники пульсаций. С учетом ωL_ф » R_н , являющегося условием эффективного сглаживания

U_н~= U_вх~ R_н / ω₁L_ф.

Полученное выражение показывает, что пульсации напряжения пропорциональны сопротивлению нагрузки, а значит, индуктивный фильтр целесообразно применять при больших токах.

Недостатком индуктивного фильтра является большое динамическое выходное сопротивление, не позволяющее нагрузке потреблять пульсирующий ток. Устранить недостатки и одновременно совместить достоинства емкостного и индуктивного фильтров позволяет Г- образный LC-фильтр. Схема фильтра приведена на рис.3.5. Так как фильтр начинается с дросселя, форма тока диодов при достаточно большом токе будет аналогична форме тока с индуктивным фильтром. Конденсатор, подключенный параллельно нагрузке уменьшает выходное сопротивление фильтра по переменному току. Сглаживание пульсаций Г- образного LC-фильтра обусловлено совместным действием дросселя и конденсатора. Емкость фильтра выбирают исходя из

Рис. 3.5

условия ω₁ R_нC_ф » 1. Тогда пульсации выходного напряжения находим, рассматривая дроссель и конденсатор как делитель первой гармоники переменной составляющей

U_н~= U_вх~/( ω₁² LC-1).

Сглаживающие фильтры существенно влияют на нагрузочные характеристики выпрямителей. Их вид при использовании рассмотренных ранее фильтров представлен на рис. 3.6.

Рис. 3.6

Без фильтра (1) с увеличением тока нагрузки выходное напряжение линейно уменьшается. Наклон характеристики зависит от внутреннего выходного сопротивления системы выпрямитель − трансформатор. Напряжение холостого хода примерно равно 0,9U₂. Использование индуктивного фильтра приводит к увеличению наклона из-за падения напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя (2). Конденсатор емкостного фильтра на холостом ходу заряжается до амплитуды напряжения вторичной обмотки √2 U₂. С увеличением тока нагрузки напряжение падает быстрее, чем без фильтра, так как среднее значение напряжения уменьшается также из-за увеличения пульсаций. Нагрузочная характеристика выпрямителя с LC-фильтром (3) имеет два участка. При малых токах нагрузки LC-фильтр ведет себя как емкостной, а при больших − как индуктивный. Граница режимов определяется индуктивностью дросселя. При использовании LC-фильтра индуктивность выбирают так, чтобы весь диапазон изменения тока нагрузки лежал в плоской части нагрузочной характеристики (правее критического тока I_кр).