Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

4.ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

4.1.Первичные и вторичные источники питания

Источники питания, применяемые для питания электронных устройств постоянным током, составляют неотъемлемую часть любого устройства. Они представляют собой преобразователи энергии, и в соответствии с видом преобразуемой энергии их можно разделить на два класса: первичные и вторичные источники питания.

Первичными называются устройства, преобразующие неэлектрическую энергию (механическую, тепловую, химическую, атомную и т.д.) в электрическую. Вторичные источники питания преобразуют электрическую энергию из одной формы в другую, пригодную для питания радиоэлектронных устройств, например: энергию переменного тока в энергию постоянного тока или энергию постоянного тока низкого напряжения в энергию тоже постоянного тока, но высокого напряжения.

Источники питания характеризуются следующими параметрами:

• номинальным значением выходного напряжения Еи.п, его максимальной и минимальной величинами Еи.пmax и Еи.пmin, характеризующими максимальные пределы изменения напряжения питания:

Еи+.п = Еи.пmax – Еи.п;

Еи−.п = Еи.пmin– Еи.п;

Еи.п = Еи.пmax – Еи.пmin;

•пределами регулировки выходного напряжения;

•номинальным значением тока Iи.п, его максимальной и минимальной величинами Iи.пmax и Iи.пmin;

мое изменением тока на величину Iи.п;

• динамическим внутренним сопротивлением источника пита-

202

В связи с бурным развитием аэрокосмической техники наряду с традиционными первичными источниками питания все большее применение находят новые виды первичных источников: топливные и биохимические элементы, термоэлектронные, термоэлектрические и магнитогидродинамические генераторы, солнечные и атомные батареи. Некоторые из указанных элементов пригодны для непосредственного питания РЭА, другие применяются после соответствующего преобразования их энергии.

Вторичные источники питания. Непосредственное использо-

вание первичных источников для питания РЭА не всегда возможно, так как требуемое напряжение часто отличается от выходного напряжения первичного источника. Поэтому в радиоэлектронных устройствах наиболее часто применяют вторичные источники питания, преобразующие один вид электроэнергии в другой.

На рис. 4.1 приведена наиболее распространенная структурная схема вторичного источника питания, в которой используется последовательное чередование элементов.

Рис. 4.1. Структурная схема вторичного источника питания

В качестве источника первичной энергии, как правило, используется сравнительно высоковольтный источник переменного тока, электрическую энергию которого преобразуют в энергию вторичного источника постоянного тока более низкого напряжения. Для понижения напряжения, а иногда, наоборот, для повышения напряжения применяют силовой трансформатор. При помощи трансформатора одновременно решают проблему гальванического разделения питаемой аппаратуры от первичного источника питания, получение переменных напряжений, смещенных по фазе относительно друг друга (необходимых для многофазных выпрямителей), а также для развязки друг от друга отдельных потребителей энергии. Во вторичных источниках питания применяют электромагнитные и пьезокерамические трансформаторы.

204

Для преобразования переменного тока в постоянный применяется выпрямитель. Это преобразование производится ключевым элементом, который подключают к источнику переменного тока (либо через трансформатор, либо непосредственно) таким образом, чтобы направление тока на выходе выпрямителя не изменялось. В качестве ключевых элементов, так называемых вентилей, в выпрямителях применяют диоды, транзисторы (в настоящее время редко) и тиристоры.

Строго говоря, выпрямитель преобразует переменный ток в пульсирующий. В ряде случаев для питания отдельных узлов аппаратуры можно использовать пульсирующее напряжение. Однако в большинстве случаев требуется уменьшение пульсации, ее сглаживание до некоторого допустимого уровня, при котором исключается появление сигналов помехи, обусловленных пульсацией напряжения или тока питания, либо амплитуда сигналов помехи уменьшается настолько, что их действие не приводит к нарушению нормальной работы устройства. Для уменьшения пульсации применяют электрические фильтры, содержащие реактивные элементы – конденсаторы и индуктивные катушки – дроссели, при помощи которых сглаживают пульсацию. В источниках питания применяются также развязывающие фильтры для устранения взаимного влияния отдельных нагрузок, подключаемых к общему источнику питания.

В аппаратуре, к которой предъявляются жесткие требования к стабильности напряжения или тока питания, применяются стабилизаторы напряжения или тока. При помощи стабилизатора уменьшают до требуемого допустимого уровня изменение напряжения и тока питания, вызываемое изменением напряжения первичного источника питания, температурным дрейфом элементов вторичного источника питания, изменением условий эксплуатации, в том числе тока нагрузки и т.д.

Обычно к выходу стабилизатора подключают фильтр (на рис. 4.1 не показан), способствующий уменьшению пульсации, в особенности, при использовании импульсных стабилизаторов. Этот же фильтр одновременно улучшает динамические характеристики источника питания.

205

На рис. 4.1 показана структура вторичного источника наиболее распространенного вида соединения. Там же пунктиром показаны возможные варианты соединения элементов, которые встречаются на практике, однако сравнительно редко. На этом рисунке показаны также возможные варианты подключения к выходам источника питания, как, например, непосредственно к выходу выпрямителя или к выходу фильтра.

Кроме рассмотренных основных элементов, вторичные источники питания могут содержать преобразователи энергии переменного напряжения низкой частоты в энергию переменного напряжения более высокой частоты. Такие преобразователи применяются для уменьшения габаритов и массы источника питания за счет уменьшения емкости конденсаторов и индуктивности фильтра при сглаживании более высокочастотной пульсации. Применяются также преобразователи напряжения из постоянного в переменное с целью трансформации последнего в более высокое напряжение для повышения постоянного напряжения вторичного источника питания.

Основной переменой, происшедшей за последние годы в области вторичных источников питания, является существенное понижение уровня выходных напряжений, что обусловлено внедрением в РЭА полупроводниковых приборов и ИМС. Немаловажной переменой является также существенное уменьшение массы и габаритов вторичных источников питания в связи с общей проблемой микроминиатюризации РЭА. Решение этой проблемы привело к созданию и производству соответствующей элементной базы, а именно:

•интегральных стабилизаторов напряжения, выполненных по схемам с непрерывным или импульсным регулированием;

•диодных и транзисторных сборок, высоковольтных транзисторов (с пробивным напряжением до 1000 В) большой мощности, позволяющей избавиться от необходимости последовательного и параллельного включения большого числа транзисторов;

•малогабаритных высоковольтных конденсаторов большой емкости, высокочастотных диодов на токи до нескольких десятков

ампер с малым временем рассасывания (tрас< 20 нc) и низким падением напряжения (Uпр < 0,5 В);

206

• трансформаторов с малыми удельными потерями мощности и большими допустимыми значениями магнитной индукции как низкочастотных, так и высокочастотных.

4.2. Выпрямители

Одним из основных элементов вторичных источников питания являются выпрямители, предназначенные для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию тока, протекающего в одном и том же направлении в нагрузке, питающейся от вторичного источника. Это преобразование реализуется ключевыми элементами, называемыми вентилями, которые подключают нагрузку к источнику переменного напряжения в соответствующие моменты времени так, чтобы направление тока в нагрузке оставалось неизменным.

В качестве вентилей в современных выпрямителях применяют полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы и тиристоры.

Выпрямители классифицируются по числу фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора, схеме соединения вентилей и форме выпрямленного напряжения. В настоящее время применяются однофазные и многофазные выпрямители.

Качество преобразования энергии переменного тока в постоянный в значительной мере зависит от схемы включения вентилей. На практике встречаются из однофазных схем выпрямителя: однополупериодная, двухполупериодная, однофазная мостовая; из многофазных – трехфазная, трехфазная мостовая, шестифазная схемы включения. Для повышения напряжения питания применяют схемы умножения напряжения, простейшей из которых является схема удвоения напряжения. Принцип работы указанных схем выпрямления и их особенности удобно выяснять на конкретных видах выпрямителей.

4.2.1. Выпрямители на полупроводниковых диодах

Однополупериодная схема выпрямления. На рис. 4.2,а пока-

зана однополупериодная (однофазная) схема выпрямителя на диоде

207

Д. Эпюры напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2 и

тока диода Iд = I0, иллюстрирующие работу этого выпрямителя, приведены на рис. 4.2,б.

Рис. 4.2. Однополупериодная схема выпрямителя на диоде (а), эпюры напряжения и тока (б), иллюстрирующие работу этого выпрямителя

Направление тока I0 в нагрузке соответствует направлению тока выпрямительного диода Д в проводящем состоянии Iд, соответствующем положительной полуволне напряжения синусоидальной формы, развиваемого на вторичной обмотке трансформатора:

U2 (t) =U2m sin ωt .

Это напряжение вырабатывается первичным источником переменного тока и поступает на вход выпрямителя через силовой трансформатор Тр. Во время действия отрицательной полуволны U2(t) диод перестает проводить и тем самым предотвращает изменение направления тока I0 в нагрузке. Диод не проводит и в течение части положительной полуволны, пока U2(t) оказывается меньше напряжения отпирания диода Uот.д. Диод начинает проводить при фазовом угле ψ, определяемом из уравнения

U2msinψ = Uот.д.

Так как импульсы тока в нагрузке симметричны относительно амплитудного значения U2т (см. эпюры на рис. 4.2,б), то за начало отсчета углов удобно принять угол. Тогда угол ϑ = π/2 – ψ, при котором происходит отпирание диода Д, определяется соотношением

208

cos ϑ = Uот.д .

U2m

Угол ϑ принято называть углом отсечки тока, так как до достижения этого угла ток через диод в нагрузку не поступает («отсекается» диодом).

Мгновенное значение тока нагрузки, равного току диода, определяется выражением

где r = rтр + rпр – внутреннее сопротивление источника U2 (с учетом внутреннего сопротивления первичного источника, приведенного ко вторичной обмотке трансформатора, и сопротивлений обмоток трансформатора r1′ и r2); rпр – среднее значение сопротивления

диода в проводящем состоянии.

На основании выражения (4.1) можно определить основные параметры выпрямителя. Можно показать, что КПД выпрямителя возрастает с уменьшением напряжения отпирания диода Uот.д и его прямого сопротивления rпр. С этой точки зрения, лучшими выпрямительными диодами являются диоды Шоттки, поскольку у них как Uот.д, так и rпр наименьшей величины по сравнению с другими видами диодов.

При выборе диода руководствуются также его пробивным напряжением, которым ограничивается обратное напряжение на диоде. В схеме однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку без фильтра, обратное напряжение на диоде равно амплитудной величине входного напряжения U2т.

Однополупериодный выпрямитель на практике применяется сравнительно редко, и если применяется, то обязательно с емкостным фильтром, сглаживающим пульсацию тока в нагрузке, которая в этой схеме выпрямления оказывается наибольшей величины.

На рис. 4.3,а показана однополупериодная схема выпрямления, на выходе которой подключен простейший фильтр в виде конденсатора Сф сравнительно большой емкости. Часть выпрямленного тока ответвляется в конденсатор Сф и приводит к накоплению заряда. Когда диод перестает проводить (см. эпюры на рис. 4.3,б), на-

209

грузку снабжает током конденсатор Сф за счет накопленного в нем заряда. Таким образом, существенно уменьшается пульсация тока в нагрузке. В выпрямителе с фильтром диод начинает проводить тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2(t) превышает напряжение на нагрузке U0 на величину Uот.д. При этом угол отсечки определяется из уравнения

Рис. 4.3. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром Сф

на выходе (а) и эпюры тока диода Iд , напряжения на вторичной

обмотке трансформатора U2 и напряжения U0 на нагрузке (б)

Строго говоря, угол отсечки надо рассчитать для двух значений выпрямленного напряжения U0, поскольку это напряжение меняется по мере заряда и разряда конденсатора Сф (см. эпюры на рис. 4.3,б). Когда диод отпирается, начинается заряд конденсатора Сф, и напряжение на выходе выпрямителя повышается. После запирания диода, из-за разряда конденсатора током нагрузки, напряжение U0 спадает. Следовательно, и при наличии фильтра напряжение на выходе выпрямителя U0 не остается постоянным, а пульсирует, однако в значительно меньшей степени, чем в выпрямителе без фильтра. Поскольку в реальных устройствах пульсация U0 допускается

210