6. Источники вторичного электропитания электронных устройств

6.1. Структурная схема источников вторичного электропитания

Источниками вторичного электропитания называются устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, которым, в частности, является сеть переменного тока, в электрическую энергию питания различных видов потребителей этой энергии. Одним из таких потребителей энергии является электронная аппаратура, для которой, как правило, требуется постоянное напряжение высокой стабильности с определенным номинальным значением. Например, электронная аппаратура, использующая интегральные микросхемы, требует для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (± 5 - ± 15 В) при стабильности (± 5 – 10)%. Источники вторичного питания электронной аппаратуры строятся с использованием электронных приборов.

Рисунок 6.1. Структурная схема и временные диаграммы

напряжения источников вторичного питания

на входе и выходе его узлов

Структурная схема типового источника вторичного электропитания электронной аппаратуры приведена на рис.6.1. Она включает сетевой трансформатор (Т), выпрямитель (В), фильтр пульсаций (Ф) и стабилизатор выходного напряжения (СН). На этом же рисунке показана последовательность преобразования сетевого напряжения. Стабилизатором осуществляется не только изменение напряжения сети до необходимого уровня, но и гальваническая изоляция нагрузки от силовой сети. Выпрямитель, который является основным узлом источника вторичного питания, обеспечивает однонаправленное протекание тока, характеризующегося определенным уровнем пульсаций. В качестве вентиля в нем используются электронные приборы, обладающие свойством односторонней проводимости. Фильтром ослабляются пульсации напряжений на выходе выпрямителя. С этой целью используются фильтры низких частот на базе пассивных, а иногда и активных элементов. Стабилизатор напряжения предназначен для устранения влияния на выходное напряжение источника вторичного электропитания внешних воздействий, к числу которых относятся изменения напряжения сети и параметров нагрузки. В состав источников вторичного питания также могут включаться различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для контроля, автоматики и защиты.

В зависимости от вида источников первичного питания существуют однофазные и трехфазные выпрямители. Выпрямителями, которые называются управляемыми, также может осуществляться регулировка выпрямленного напряжения. Ниже рассматриваются схемы однофазных неуправляемых выпрямителей.

6.2. Однофазный выпрямитель с нулевым отводом

Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 6.2. В ее состав входит силовой трансформатор с расщепленной вторичной обмоткой, которая состоит из двух одинаковых половин. С каждой из половин этой обмотки снимаются напряжения, одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180 относительно нулевой точки, а также два диода Д₁ и Д_2.

Рисунок 6.2. Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом

Принцип работы выпрямителя рассматривается для случая активной нагрузки R_H . При этом используются временные диаграммы напряжений и токов, которые приведены на рис.6.3. На рис.6.3,а и 6.3,б представлены временные зависимости подводимого от сети напряжения u₁, поступающего на первичную обмотку трансформатора, и напряжений u_2-1 и u_2-2 , снимаемых с каждой из половин вторичной обмотки. Для получения полного представления о работе выпрямителя вполне достаточно рассмотреть процессы, происходящие в выпрямителе в интервале фаз от 0 до , т.е. в течение одного периода подводимого напряжения.

Рисунок 6.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного выпрямителя с нулевым отводом

В интервале фаз 0, когда на входе трансформатора действует положительный полупериод напряжения, на анод диода Д₁ подается положительное напряжение, а на анод диода Д₂ – отрицательное. Поэтому диод Д₁ находится в открытом состоянии, а диод Д₂ – в закрытом. Ток в таких условиях протекает через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д₁ и нагрузку R_Н. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении падением напряжения в открытом диоде совпадает с временной зависимостью напряжения u_2-1, что иллюстрируется «положительной полуволной» на рис.6.3,в. Амплитуды напряжений иодинаковы.

В интервале фаз на входе трансформатора действует отрицательный полупериод напряжения, и в открытом состоянии находится диод Д₂, а в закрытом – диод Д ₁. Ток протекает через нижнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д ₂ и нагрузку. При этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в интервале фаз 0. Следовательно, в интервале фазнапряжение в нагрузке имеет также положительную полярность. На рис. 6.3,в, где приведена временная зависимость напряжения на выходе выпрямителя, указаны номера диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды питающего напряжения.

Ток , протекающий через нагрузку, определяется законом Ома

. (6.1)

Он имеет такую же временную зависимость, что и напряжение (рис.6.3,г).

Как видно из рис.6.3,в и 6.3,г, напряжение и ток на выходе выпрямителя имеет вид импульсов положительной полярности. Разложение периодических функций ив ряд Фурье позволяет выделить постоянную и переменные составляющие напряжения и тока. Для потребителя выпрямленного напряжения важна постоянная составляющая, которую можно определить как среднее значение напряжения.

Поскольку период выпрямленного напряжения соответствует интервалу фаз шириной , внутри которого напряжение изменяется как функция синуса, для его постоянной составляющей можно записать:

, (6.2)

где - действующее значение напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора. Аналогичное соотношение может быть записано для постоянной составляющей выпрямленного тока:

. (6.3)

Амплитуда тока в нагрузке

. (6.4)

Значения постоянных составляющих выпрямленных напряжения и тока на рис. 6.3,в и 6.3,г представлены горизонтальными сплошными прямыми.

Диоды находятся в открытом и закрытом состоянии попеременно, а через каждый диод ток протекает в течение одного полупериода питающего напряжения, как показано на рис.6.3,д, е. Поэтому величина среднего тока диода вдвое меньше среднего тока нагрузки.

. (6.5)

Амплитудные значения токов в диодах и нагрузке одинаковы.

Когда диод закрыт, к нему приложено отрицательное напряжение, величина которого изменяется по синусоидальному закону, как показано на рис.6.3,ж для диода Д₁. Амплитуда этого напряжения равна удвоенной величине амплитуды напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора, так как к закрытому диоду подводится напряжение с двух крайних отводов этой обмотки. Следовательно, максимальная величина обратного напряжения, которую должен выдерживать диод,

. (6.6)

Соотношения (6.5) и (6.6) используются при выборе типа диода, который предполагается применить в выпрямителе.

Качество выпрямленного напряжения оценивается параметром, называемым коэффициентом пульсации , который определяется как отношение амплитуды-ой гармоники выпрямленного напряжения к значению постоянной составляющей напряжения. Величины амплитуд гармонических составляющих напряжения определяются разложением в ряд Фурье функции

(6.7)

Наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, для которой коэффициент пульсации

(6.8)

При частоте сети = 50 Гц частота первой гармоники на выходе выпрямителя составляет 100 Гц.