Источники питания предназначены для питания радиоэлектронной аппаратуры и являются одним из самых главных узлов. Какое бы ни было навороченное устройство, без источника питания это просто железяка, от которой никакого толка. Источники питания подразделяются на первичные и вторичные источники электропитания (сокращенно ПИЭП и ВИЭП соответственно). Первичные источники электропитания - это батарейки всякие, и в книжках они называются первичные химические источники тока (первичные ХИТ). Есть еще и вторичные ХИТ. К ним относятся аккумуляторы. Ни те, ни другие ХИТы здесь рассматриваться не будут. Все внимание будет уделено вторичным источникам электропитания.

ВИЭП представляют собой средства, обеспечивающие электропитание и являющиеся самостоятельными устройствами или отдельными цепями РЭА (радиоэлектронной аппаратуры). ВИЭП классифицируются по следующим признакам:

• По типу:

  • питающиеся от сети переменного тока

  • питающиеся от сети постоянного тока

• По числу фаз:

  • однофазные

  • трехфазные

• По роду тока на выходе:

  • с постоянным напряжением (выпрямители)

  • с переменным напряжением (инверторы)

• По выходному напряжению:

  • низкого (до 100 В)

  • среднего (от 100 до 1000 В)

  • высокого (свыше 1000 В)

• По мощности, выделяемой в нагрузке:

  • малой (до 100 Вт)

  • средней (от 100 до 1000 Вт)

  • большой (свыше 1000 Вт)

Типовая схема ВИЭП выглядит так:

Рис. 1 - Структура типового ВИЭП

ПС это питающая сеть, Т - это трансформатор, В - это выпрямитель, СФ - сглаживающий фильтр, СТ - стабилизатор напряжения или тока, Н - нагрузка. Все очень просто. Трансформатор преобразует напряжение питающей сети в пониженное (повышенное), выпрямитель преобразует переменное напряжение в однонаправленное пульсирующее (!), фильтр сглаживает пульсации напряжения, стабилизатор чего-то там стабилизирует, ну а нагрузка все это нагло сжирает. Стабилизатор может отсутствовать, тогда источник питания называется нестабилизированным.

Выпрямительные устройства относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые диоды. Принцип выпрямления переменного напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Рис. 1 - Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения: Действующее значение входного напряжения Среднее значение выпрямленного тока: Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора: Коэффициент пульсаций

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки - большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.

Двухполупериодные схемы выпрямления

1. Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора.

Рис. 2 - Схема двуполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и графики, поясняющие принцип ее работы

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

U_ср = 0.9U_вх U_вх = 1.11U_ср I_ср = 0.9U_вх/R_н I₂ = 0.78I_ср p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения U_ср и I_ср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

2. Мостовая схема

Рис. 3 - Мостовая схема выпрямления

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Трехфазные схемы выпрямления

Такие схемы часто применяются для получения напряжения большой мощности. Наиболее распространены следующие схемы:

1. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления с нулевым выводом (схема Миткевича)

Рис. 4 - Трехфазный выпрямитель

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения U_ср = 1.17U_вх, обратное напряжение U_обр.max = 2.1U_ср, коэффициент пульсаций 0.25.

2. Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова)

Рис. 5 - Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления.

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно: U_ср = 2.34U_вх, U_обр.max = 1.05U_ср, p = 0.057. Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за нессиметричности фазных питающих напряжений.

Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не только преобразовывал переменное напряжение, но и был способен изменять его значение. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор (хотя можно влепить и транзистор).

Рис. 1 - Управляемый однополупериодный выпрямитель

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωt_з. t_з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).

Рис. 2 - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя:

<

Рис. 3 - Фазовращатель

Ниже на рисунке показана схема однофазного двуполупериодного управляемого выпрямителя импульсно-фазовым управлением.

Рис. 4 - Однофазный двуполупериодный управляемый выпрямитель  (Zoom!)

Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C3, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.

Умножителем напряжения называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе. Другими словами, умножитель - это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение. Например, в телике (телевизор) стоит умножитель напряжения. В основном на его выходе образуется напряжение в 25 кВ для питания ускоряющего электрода кинескопа.

Как всегда, начнем с простого - удвоитель напряжения показан на рисунке 1.

nota bene: входное напряжение любого умножителя должно быть переменным!

Рис. 1 - Несимметричный удвоитель напряжения

В отрицательный полупериод входного напряжения кондер С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения - U_m. Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения U_C2 = U_m + U_C1 = 2U_m, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.

Нетрудно заметить, что если прилепить ешчё диод с кондером, то получится утроитель напряжения:

Рис. 2 - Утроитель напряжения

В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения U_m. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на кондере С1 и U_m, т. е. U_C2 = U_C1 + U_m = 2U_m. В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2U_m, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3. Поскольку на кондере С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение U_вых = U_C1 + U_C3 = 3U_m. Добавляя диод с кондером получаем напряжение, в любое число раз больше входного, что и требовалось доказать.

Ахтунг: до амплитудного значения напряжения заряжается только первый кондер. На каждом последующем напряжение больше на величину входного. Другими словами, необходимо обеспечить защиту схемы от электрического пробоя, т. е. использовать диоды и кондеры на соответствующее напряжение.

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. СФ бывают активные и пассивные. Простейшим СФ является кондер, включаемый параллельно нагрузке. Также можно влепить катушку индуктивности (дроссель), но уже последовательно с нагрузкой. А можно комбинировать.