1. ТеоретическИе сведения

Вторичные источники электропитания предназначены для получения напряжений, необходимых для непосредственного электропитания электронных и других устройств. Вторичные источники электропитания получают энергию от первичных источников, вырабатывающих электроэнергию (генераторов, аккумуляторов и др.). Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников как правило нельзя.

Вторичные источники электропитания являются одними из наиболее важных устройств электроники, т.к. от них во многом зависит надежность электронных устройств.

П ринято вторичные источники электропитания называть просто источниками электропитания или источниками питания.

Структурную схему источника питания можно представить в виде (рис. 1).

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения амплитуды переменного напряжения. Трансформаторы обычно являются понижающими.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее).

Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя.

Стабилизатор уменьшает изменение напряжения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока нагрузки.

Напряжение в электрической сети может изменяться в диапазоне +15  - 20% от номинального значения 220 В.

Источник питания (рис. 1) является источником без преобразования частоты. Подобные источники ранее широко использовались в электронных изделиях. В последнее время широко используются источники с преобразованием частоты.

Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты используются трансформаторы, рассчитанные для работы на частоте 50 Гц, имеющие большой вес и габариты, а также сглаживающие фильтры для данной частоты оказываются также достаточно большими. В некоторых электронных изделиях такие источники используются и в настоящее время.

Схему источника питания с преобразованием частоты можно представить в виде (рис. 2).

Инвертор

Трансформатор

От сети

50 Гц

Выпрямитель 2

Рис. 2

В таких источниках напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1, и на выходе сглаживающего фильтра 1 создается постоянное напряжение. Это напряжение с помощью инвертора снова преобразуется в переменное напряжение с частотой, значительно превышающей 50 Гц (обычно это - десятки килогерц). Полученное переменное напряжение передается через трансформатор, выпрямляется выпрямителем 2 и фильтруется сглаживающим фильтром 2.

Поскольку трансформатор в этом выпрямителе работает на повышенной частоте, то его вес и габариты, а также габариты сглаживающего фильтра 2 являются небольшими.

Здесь трансформатор, как и к предыдущей схеме, обеспечивает гальваническую развязку сети и нагрузки и изменение напряжения.

Инвертор, трансформатор и выпрямитель 2 образуют конвертор – устройство для изменения уровня постоянного напряжения.

Рассмотренные источники питания с преобразованием частоты широко используются в современных устройствах электроники, например, в компьютерах и телевизорах. Они обладают, как правило, значительно лучшими технико-экономическими показателями по сравнению с источниками питания без преобразования частоты.

В таких источниках инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения. Его выполняют на транзисторах, а иногда и на тиристорах. Активные элементы инвертора работают в ключевом режиме (транзистор периодически или выключен – находится в режиме отсечки, или включен – в режиме насыщения).

Выпрямители. В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источника целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители характеризуются основными параметрами:

 среднее значение выходного напряжения u_вых:

U_ср = , (1)

где Т – период напряжения сети (для промышленной частоты сети – 20 мс (частота 50 Гц);

 среднее значение выходного тока i_вых:

I_ср = ; (2)

 коэффициент пульсаций выходного напряжения:

 = ; % = 100%, (3)

где U_m – амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения.

Названные параметры являются наиболее важными при характеристике выпрямителя.

О днофазный однополупериодный выпрямитель.

Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 3) является простейшим выпрямителем. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает только в течении одного полупериода синусоидального напряжения.

Основные параметры выпрямителя с учетом выражений (1)  (3) можно представить в виде:

U_ср =  0,45U_вх,

U_вх  2,22 U_ср; I_ср = ;

 =  1,57.. (4)

Обратное напряжение на диоде (в нерабочий полупериод)

U_{VD1обр max} = = U_ср.

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Его существенным недостатком является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи, которая намагничивает сердечник трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 4).

Такой выпрямитель в отличие от предыдущего может использоваться только с трансформатором. Диоды в выпрямителе проводят ток поочередно в разные полупериоды синусоидального напряжения.

Основные параметры выпрямителя (рис. 4) с учетом выражений (1)  (3) будут следующими:

U _ср = 2  0,9U₂, (5)

где U₂ – действующие значения напряжений каждой половины вторичной обмотки:

U₂  1,11U_ср; I_ср = ;

 =  0,67. (6)

Максимальное обратное напряжение на диодах:

U_{VDобр max} = 2 = U_ср.

Настоящий выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике.

О днофазный мостовой выпрямитель (рис. 5) можно считать пределом совершенствования однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

Диоды при работе выпрямителя включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды VD₁, VD₄, а другая – VD₂, VD₃. При этом в нагрузку в каждый полупериод проходит выпрямленный ток.

Основные параметры выпрямителя с учетом выражений (1)  (3) - следующие:

U_ср = 2  0,9U_вх; U_вх  1,11 U_ср;

I_ср = ;  =  0,67. (7)

Максимальное обратное напряжение на диодах:

U_{VDобр max} = = U_ср.

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Вместо четырех диодов обычно используют выпрямительные мосты.

С хема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом приведена на рис. 6. Для такого выпрямителя коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя он равен 0,67. Частота пульсаций в трехфазном выпрмителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) приведена на рис. 7.

И спользование в выпрямителе 6 диодов позволяет выпрямлять как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.

Выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике.

Коэффициент пульсаций выходного напряжения настоящего выпрямителя является самым маленьким из всех схем выпрямителей и составляет   0,057, а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сетевого напряжения, поэтому для такого выпрямителя в некоторых случаях можно не использовать сглаживающий фильтр.

Сглаживающие фильтры.

На выходе используемых выпрямителей напряжение имеет значительные пульсации:

 на выходе однофазного выпрямителя при входном синусоидальном напряжении напряжение периодически изменяется от нуля до амплитудного значения и представляет собой части синусоиды для одного полупериода синусоиды, чередующиеся через ее полупериод и следующие с частотой силовой сети;

 на выходе двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и однофазного мостового выпрямителя напряжение периодически изменяется от нуля до амплитудного значения и представляет собой выпрямленную синусоиду (синусоиду по модулю), и изменяется с удвоенной частотой силовой сети;

 на выходе трехфазного выпрямителя с нулевым выводом напряжение периодически изменяется от определенного уровня до амплитудного значения и представляет собой часть поднятой над осью координат синусоиды для одного ее полупериода, и изменяется с утроенной частотой силовой сети;

 на выходе трехфазного мостового выпрямителя напряжение периодически изменяется от определенного уровня до амплитудного значения и представляет собой часть поднятой над осью координат выпрямленной синусоиды, и изменяется с частотой в шесть раз превышающей частоту силовой сети.

Поэтому после выпрямителей включают сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие пульсации выходного напряжения.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S:

S = , (8)

где ₁, ₂ – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра, соответственно.

Коэффициент сглаживания для фильтров составляет значения в диапазоне 0,001  0,00003.

В источниках питания могут использоваться разные варианты сглаживающих фильтров (Рис. 8).

Простейшим фильтром является емкостной фильтр С-фильтр (рис. 8а), представляющий конденсатор С₁, подключаемый параллельно нагрузке R_н. Конденсатор заряжается выходным напряжением выпрямителя, и при уменьшении выходного напряжения выпрямителя ниже уровня заряда конденсатора разряжается через нагрузку. В результате этого напряжение на нагрузке не становится равным нулю при выходном напряжении выпрямителя, равном нулю, а следовательно происходит сглаживание напряжения.

Е сли постоянная времени цепи фильтра  = C₁R_н выбрана значительно большей периода силового напряжения, то выходное напряжение будет оставаться практически постоянным при небольших его пульсациях.

В индуктивном фильтре L-фильтре (рис. 8б) последовательно с нагрузкой включается катушка индуктивности – дроссель. Такой фильтр дает эффект во всех выпрямителях, кроме однофазного однополупериодного. При большой постоянной времени цепи фильтра  = L₁/R_н ­ток в цепи нагрузки остается практически постоянным. Такой фильтр используют в мощных выпрямителях.

На практике наиболее часто используют Г-образные и П-образные фильтры выпрямителей: Г–образный индуктивно-емкостной LC-фильтр (рис. 8в); Г-образный RC-фильтр (рис. 8г); П-образный LC-фильтр (рис. 8д) и П-образный RC-фильтры (рис. 8е).

Г-образные и П-образные RC-фильтры обычно применяют только в маломощных схемах электронных устройств, так как они потребляют большую долю электрической энергии (выделяется в виде тепла на резисторе фильтра).

Стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы напряжения предназначены для обеспечения постоянного его значения на выходе источника питания.

Важнейшими параметрами стабилизаторов напряжения являются: коэффициент стабилизации К_ст; выходное сопротивление R_вых и коэффициент полезного действия  .

Коэффициентом стабилизации называется отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

К_ст = . (9)

У простейших стабилизаторов К_ст составляет единицы, у более сложных – сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется из выражения:

R_вых = . (10)

Коэффициент полезного действия стабилизатора:

  , (11)

где P_н и P_вх – мощность, поступающая в нагрузку и мощность, подводимая к стабилизатору, соответственно.

Стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы являются простейшими устройствами, в которых небольшие изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики.

Вариант подобного параметрического стабилизатора на стабилитроне был рассмотрен в лабораторной работе № 2.

Обычно параметрические стабилизаторы применяют для получения выходных токов от единиц до десятков миллиампер. Они как правило используются в качестве источников опорного напряжения компенсационных стабилизаторов.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования.

Характерными их элементами являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

По включению регулирующего элемента по отношению к нагрузке компенсационные стабилизаторы напряжения разделяются на последовательные (РЭ включен последовательно с нагрузкой) и параллельные (РЭ включен параллельно нагрузке).

Структурные схемы последовательного и параллельного стабилизаторов напряжения приведены на рис. 9а и рис. 9б, соответственно.

При работе стабилизаторов с помощью сравнивающего и усиливающего элемента СУЭ выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным напряжением источника опорного напряжения ИОН. В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом СУЭ вырабатывается управляющий сигнал для изменения параметров регулирующего элемента РЭ, изменение параметров которого происходит до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным заданному.

В результате этого на выходе стабилизаторов поддерживается постоянное значение напряжения, которое практически не изменяется как при изменении входного напряжения, так и при изменении сопротивления нагрузки (выходного тока).

В качестве ИОН обычно используют параметрический стабилизатор на стабилитроне, в качестве СУЭ – операционный усилитель, а в качестве РЭ – биполярный или полевой транзистор. Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой (последовательный стабилизатор) (рис. 9а). В параллельном стабилизаторе (рис. 9б) дополнительно используют балластный резистор R_б, который включается последовательно с нагрузкой.

Н аиболее широко применяются последовательные стабилизаторы, в которых на регулирующем элементе при отключении нагрузки не выделяется мощность электрического тока. В связи с этим, в параллельном стабилизаторе от выпрямителя в стабилизатор всегда протекает максимальный ток как при подключенной, так и при отключенной нагрузке.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные). В непрерывных схемах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных – в импульсном. Поэтому основным недостатком непрерывных стабилизаторов является низкий коэффициент полезного действия, поскольку значительный расход мощности происходит в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

Т иповая принципиальная схема непрерывного стабилизатора, представляющего собой последовательный стабилизатор напряжения, приведена на рис. 10.

Как видно из схемы, на элементах R₂, R₃, DA₁ и VT₁ построен неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя DA₁ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе VT₁ структуры n-p-n. Входным напряжением для неинвертирующего усилителя является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне VD₁ и резисторе R₁.

В соответствии с параметрами операционных усилителей можно записать:

U_R3 = U_VD1, U_R2 = U_вых - U_R3, I_R2 = I_R3 = U_VD1/R₃. (12)

Решая совместно систему уравнений (12), и преобразовывая выражения, для выходного напряжения U_вых получим:

U_вых = U_VD1(1 + ). (13)

Выражение (13) позволяет определить выходное напряжение стабилизатора, а при необходимости и рассчитать стабилизатор по заданному выходному напряжению.

Входное напряжение стабилизатора U_вх.ст должно быть больше выходного напряжения U_вых как минимум на напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U_кэ, обеспечивающего работу транзистора VT₁ в активном режиме, которое должно быть не менее (1  2) В и напряжение запаса U, определяющее возможное уменьшение входного напряжения стабилизатора при его работе.

Таким образом входное напряжение U_вх.ст стабилизатора можно записать в виде:

U_вх.ст = U_вых + U_кэ.а+ U. (14)

При расчете стабилизатора в лабораторной работе рекомендуется выбрать U_кэ  1,5 В; U = 1 В.

При разработке параллельного стабилизатора напряжения, схему которого можно составить на основе схем (рис. 9б) и (рис. 10) необходимо рассчитать сопротивление R_б балластного резистора, обеспечивающего протекание заданного максимального тока i_{н max} через сопротивление нагрузки, что можно сделать на основании выражения:

R_б = 0,7 .

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньше, чем непрерывные стабилизаторы. В этих стабилизаторах можно получить КПД, равный 70  80% , в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30  50%.

Недостатком импульсных стабилизаторов является наличие в выходном напряжении пульсаций выходного напряжения, определяемых принципом действия импульсного стабилизатора.

Отличие импульсного стабилизатора сводится к периодическому включению и выключению ключа в цепи подачи напряжения на сглаживающий фильтр, осуществляемое схемой управления в зависимости от напряжения на нагрузке. В результате этого регулирующий элемент РЭ в них работает в ключевом режиме, что обеспечивает возможность выделения на нем значительно меньшей мощности, чем в непрерывном стабилизаторе.