Лекция №22 Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

22.1 Общие требования к источникам питания

При анализе работы радиоэлектронных схем всегда предполагается наличие источника питания, то есть устройства, на входных клеммах которого обеспечивалось требуемое постоянное напряжение и считалось возможным "забрать" из этого источника ток нужной величины. Итак, самое общее определение источника питания: это устройство, обеспечивающее необходимое напряжение и ток при заданной нагрузке.

Источники питания (ИП) делятся на 2 класса: первичные и вторичные.

Первичным называется ИП, в котором электрическая энергия получается в результате преобразования химической энергии (гальваническая батарея) или тепловой (термоэнергия) энергии и т.п.

Вторичным - ИП если в источнике электрический ток одного рода преобразуется в электрический ток другого рода. Чаще это преобразование переменного тока в постоянный, а точнее - в пульсирующий.

Иногда требуется преобразовать постоянное напряжение одной величины в напряжение другой величины. Для этого также используются вторичные источники питания (ВИП).

Следует отметить, что обычный делитель напряжения и транзистор нельзя считать источниками питания, так как в этих устройствах происходит простое "масштабирование" без каких-либо промежуточных преобразований.

В подавляющем большинстве случаев для вторичных ИП источником энергии служит сеть переменного тока частотой 50 Гц (в бортовых системах - 400 Гц).

Инженеру необходимо иметь определенный минимум знаний, чтобы уметь самостоятельно создать и отладить ВИП и выдать техническое задание на его проектирование и конструирование.

Могут быть различные требования к источникам: напряжение U от долей вольта до тысяч вольт и ток I от микроампер до сотен ампер.

Перед тем, как перейти к объяснению работы ВИП, покажем, с какими токами (напряжениями) придется иметь дело, рассмотрим параметры, которыми эти токи характеризуются.

Графики переменного, постоянного и пульсирующего токов приведены на рисунке 22.1.

Переменным называется ток, изменяющийся во времени по величине и знаку. Ток, изменяющийся по чисто гармоническому закону, характеризуется амплитудой токаI_m, частотой ω (f), средним токомI_сри действующим значением тока. Поскольку среднее значение за период (T) гармонической функции равно нулю, при вычисленииI_ср берут ее модуль:

.

Действующее значение:

.

Постоянный ток - ток, не изменяющийся во времени, характеризующийся постоянным значением I₀.

Пульсирующий ток изменяет свою величину, но не меняет направления. Он оценивается средним значением, которое применительно к ВИП чаще называют постоянной составляющей выпрямительного тока I₀, коэффициентом пульсацийК_Пи частотой пульсаций. Коэффициентом пульсаций называется отношение пикового значения переменной составляющей пульсирующего тока к постоянной составляющей:

.

Обычно, если пульсации носят негармонический характер, то в их спектре можно выделить первую, вторую, и другие гармоники. Поскольку амплитуда первой гармоники максимальна, наибольший интерес представляет коэффициент пульсаций по первой гармонике:

,

где I_m1- амплитуда первой гармоники спектра пульсации.

Величина значения коэффициента пульсаций выходного напряжения может измениться в широчайших пределах.

Для каскадов высококачественных микрофонных усилителей и воспроизводящей аппаратуры К_П<<0,01……0,001%.

Для мощных каскадов - 0,05……0,1%.

Независимо от функции, конкретного назначения и требований все вторичные ИП строятся по единой функциональной схеме (рисунок 22.2).

Назначение элементов:

• трансформатор обеспечивает получение на вторичной обмотке необходимого напряжения. Второе важное назначение - гальваническая развязка питательной цепи и выходной цепи ВИП. Номенклатура трансформаторов очень велика;

• выпрямитель - устройство, в котором переменный ток преобразуется в пульсирующий с помощью ЭП с ярко выраженной нелинейностью ВАХ.

Так как коэффициент пульсаций после выпрямления велик - используются сглаживающие фильтры, уменьшающие коэффициент пульсаций. Для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке (или тока в нагрузке) при изменении напряжения питания цепи (или нагрузки) используется стабилизатор напряжения или тока.

Основные электрические показатели, характеризующие ВИП:

• выпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) Е₀;

• постоянная составляющая выходного тока - выпрямленный ток I₀;

• коэффициент пульсаций КП выходного напряжения (тока);

• выходное сопротивление ВИП для переменных токов R_вых.

Далее рассмотрим принцип построения и работу выпрямителя, фильтра и стабилизатора.