Источники питания
Классификация источников питания.
Источники питания разделяются на:
первичные источники (постоянного и переменного тока) – сеть, аккумуляторы, генераторы;
вторичные источники, которые преобразует ток.
Вторичные источники:
выпрямители – переменный ток в постоянный ток;
инверторы – постоянный ток в переменный ток;
частотные преобразователи – переменный ток одной частоты в переменной ток другой частоты.
Классификация вторичных источников питания
1) По типу первичного источника питания – от сети постоянного тока или переменного.
2) Питающиеся от сети переменного тока – на однофазные и трехфазные.
3) По роду тока на выходе – с постоянным напряжением (выпрямители) и с переменным (инверторы, частотные преобразователи).
4) По выходному напряжению – низкое, среднее, высокое.
5) По мощности – малая, средняя, большая.
Вторичные источники питания, структурная схема трансформаторного источника вторичного электропитания.
Источник вторичного электропитания – устройство, обеспечивающее питанием самостоятельные приборы или отдельные электрические цепи.
Существуют управляемые и неуправляемые источники.
Структурная схема трансформаторного источника постоянного напряжения (неуправляемый)
Трансформатор (как правило, понижающий)
Выпрямитель (переменное напряжение преобразуется в напряжение одной полярности)
На выходе имеем постоянное напряжение.
Минус неуправляемых выпрямителей – имеют, как правило, небольшой КПД.
Структурная схема импульсного преобразователя постоянного напряжения
Напряжение сети превращается в постоянное напряжение. Через ключ постоянное напряжение делается импульсным. Далее трансформатор понижает напряжение. Оно выпрямляется. Получаем выходное напряжение. Величина напряжения на выходе определяется ключом.
Такие схемы обладают высоким КПД (99 %) и применяются во всех мощных устройствах.
Выпрямители и сглаживающие фильтры, их внешние характеристики, временные диаграммы выходного напряжения.
Выпрямитель – устройство, предназначенное для выпрямления переменного напряжения в напряжение постоянной полярности.
Выпрямители подразделяют на:
однополупериодные;
двухполупериодные.
Выпрямители характеризуются:
средним выпрямленным напряжением
(среднее значение за период);средним значением выпрямленного тока
(по нему выбирают выпрямитель);коэффициентом пульсаций выходного напряжения
;максимальное обратное напряжение – максимальное напряжение на закрытом диоде
.
Диод
в схему подбирают по среднему прямому
току и максимальному обратному напряжению.
Однополупериодный выпрямитель
Временные диаграммы входного и выходного напряжений
Характеристики:
;
;
;
.
Плюс – простота.
Минусы: малое среднее выпрямленное напряжение, большой коэффициент пульсаций, большое обратное напряжение на диоде.
Двухполупериодные выпрямители
Подразделяются на:
выпрямитель со средней точкой (практически не используют);
мостовой
выпрямитель.
Мостовой выпрямитель
Временные диаграммы входного и выходного напряжений
Характеристики:
;
;
(делим на 2 диода);
.
Сглаживающие фильтры
Фильтры применяются для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке.
Применяются
следующие ФНЧ:
а) емкостные (самые используемые);
б) индуктивные;
в) комбинированные.
Емкостные
фильтры сглаживают колебания напряжения,
поэтому их ставят параллельно нагрузке.
Однополупериодный выпрямитель с фильтром
При
подключении фильтра вначале конденсатор
разряжен, время зарядки – постоянная
времени фильтра:
,
где
– сопротивление цепи, по которой течет
заряжающий ток. При зарядке конденсатора
складывается из сопротивления
трансформатора и диода.
При
заряженном конденсаторе (когда напряжение
становится меньше напряжения на
конденсаторе
)
потенциал после диода становится выше,
чем перед ним, и ток через него не течет.
Ток течет от заряженного конденсатора
на нагрузку. При этом конденсатор
разряжается, но медленно, так как
постоянная времени:
,
велико.
Пульсации тем больше, чем меньше .
Характеристики:
;
;
(максимальная
разность);
.
Чем
меньше произведение
,
тем хуже. На холостом ходу, когда
,
.
Фильтр увеличивает среднее выпрямленное напряжение и снижает пульсации выходного напряжения.
Двухполупериодный выпрямитель с фильтром
Работает так же, как однополупериодный, но процесс зарядки и разрядки конденсатора происходит в 2 раза чаще.
Когда
становится больше, чем напряжение на
нагрузке. Открывается пара диодов. Ток
течет через нагрузку и одновременно
заряжает конденсатор. Ток зарядки течет
через диоды и трансформатор, сопротивление
диодов мало, поэтому напряжение на
конденсаторе меняется с той же скоростью,
что и
.
Когда конденсатор заряжается до
,
напряжение
становится меньше, чем
,
все диоды закрываются. Конденсатор
разряжается на нагрузку. Скорость
разряда определяется постоянной времени
конденсатора:
, велико.
Во втором полупериоде открывается вторая пара диодов, процесс зарядки-разрядки повторяется через другую пару диодов.
Характеристики:
;
;
(максимальная
разность, делим на 2 диода);
(процесс
заряда конденсатора повторяется в 2
раза чаще, поэтому коэффициент в
знаменателе 4).
Чем больше емкость фильтра, тем меньше пульсации.
Внешние характеристики выпрямителей
Внешняя
характеристика источника
– его ВАХ.
Уравнение внешней характеристики
,
где
– сопротивление вторичной обмотки
трансформатора,
– сопротивление диода.
Однополупериодный
выпрямитель без фильтра:
.
Двухполупериодный
выпрямитель без фильтра:
.
Наклон больше, так как 2 диода, следовательно,
больше внутреннее сопротивление.
Падение напряжения для выпрямителей без фильтра связано с внутренним сопротивлением.
Однополупериодный
выпрямитель с фильтром:
.
Двухполупериодный выпрямитель с фильтром: .
Наклон характеристики в основном обусловлен увеличением пульсаций (за счет чего среднее напряжение всегда падает), увеличением скорости разряда конденсатора.
При коротком замыкании выпрямители с фильтром и без фильтра приходят в одну и ту же точку, потому что тока нет, фильтр не работает.
Снижение напряжения с ростом тока обусловлено внутренним сопротивлением (для выпрямителей без фильтра) и ростом пульсаций напряжения (для выпрямителей с фильтром).
