Принципы построения источников вторичного электропитания

Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие средства, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую, например, электромеханические генераторы, электрохимические источники - аккумуляторы или гальванические элементы, фотоэлектрические генераторы - солнечные батареи и фотоэлементы, термоэлектрические источники и др. Непосредственное использование первичных источников затруднено тем, что их выходное напряжение в большинстве случаев не поддается регулировке, а стабильность его недостаточно высокая. Однако для питания электронной аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с различными номинальными значениями - от единиц вольт до нескольких сотен вольт, а в ряде случаев даже выше. По этой причине (и не только из-за этого) любое электронное устройство содержит вторичный источник электропитания, который подключается к одному из первичных источников.

Средства вторичного электропитания электронных устройств, называемые обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками. Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных функциональных электронных узлов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства. Обобщенная структура ИВЭП приведена на рис. 58.

В состав ИВЭП, кроме самого источника питания, могут входить дополнительные устройства, которые обеспечивают его нормальную работу при различных внешних воздействиях. Как видно из приведенной на рис. 58 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик как первичного источника, так и нагрузки. Так, например, при увеличении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры.

Устройство управления и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть использовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др. В то же время устройство защиты и коммутации позволяет сохранить работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов: короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного отключения, резкого повышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы.

Выпрямители источников питания

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рис. 59.

В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор (СТ), вентильный блок (ВБ), фильтрующее устройство (ФУ) и стабилизатор напряжения (СН). Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения в сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, C элементах или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др. – на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 60(а), является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рис. 51(а). Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рис. 60(б), представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w₂ и w₂’. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рис. 61(б). Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 60(в)) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током, и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители резко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В).

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 60(г)) представляет собой последовательное соединение двух однофазных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VD1 заряжается конденсатор С1 а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С2 заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы С1 и С2 могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам - наличие двух конденсаторов С1 и С 2.

Выпрямители с умножением напряжения применяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих сравнительно небольшой ток (обычно не больше 10 мА). Такие выпрямители часто называют умножителями напряжения. Умножители напряжения позволяют получить на выходе устройства напряжение, в любое число раз большее напряжения на его входе. Наибольшее распространение получили схемы удвоения и утроения напряжения. Так, например, для питания кинескопов телевизионных приемников широко применяются умножители типа УН-9/27 и УН-9/18, где буквы УН обозначают умножитель напряжения, а цифры - входное и выходное напряжения в киловольтах. Дополнительно может быть указан предельный ток на выходе умножителя, который для телевизионных умножителей равен 1,0...1,ЗмА.

Схемы умножителей напряжения приведены на рис. 62. На рис. 62(а) приведена схема удвоителя напряжения с несимметричным входом. Эта схема работает следующим образом. Положительный импульс напряжения, снимаемый с нижнего вывода вторичной обмотки трансформатора Тр (в телевизорах это выходной трансформатор строчной развертки), через диод VD1 заряжает конденсатор С1 до амплитудного значения U_2m. Во второй полупериод, когда напряжение на обмотке меняет полярность, диод VD1 запирается, а напряжение на конденсаторе С1 складывается с напряжением на обмотке U2 и прикладывается к диоду VD2. В результате конденсатор С2 заряжается через диод VD2 практически до удвоенного значения импульсного напряжения. Выходное напряжение, снимаемое с конденсатора С2, поступает на нагрузку.

На рис. 62(б) приведена схема учетверителя напряжения, который состоит из яух удвоителей, рассмотренных ранее. Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит так же, как в схеме рис. 62(а), за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы С3 и С4 до напряжения 2U_2m. Таким образом, полный заряд всех конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор С1 заряжается до напряжения U_2m, а остальные - до 2U_2m. Обратное напряжение на всех диодах равно 2U_2m.

На рис. 62(в) приведена схема утроителя напряжения. Отличительной особенностью этой схемы является то, что каждый последующий конденсатор заряжается до напряжения, пропорционального его номеру. Заряд конденсатора С1 производится через диод VD1 до напряжения U_2m. Во втором полупериоде напряжение на обмотке U_2m складывается с напряжением на конденсаторе С1 и через диод VD2 заряжает конденсатор С2 до напряжения 2U_2m. В третий полупериод напряжение на обмотке U_2m складывается с напряжением на конденсаторе С2 и через диод VD3 заряжает конденсатор С3 до напряжения 3U_2m. Количество звеньев в этой схеме можно увеличивать, однако время выхода выпрямителя в установившийся режим при этом также увеличивается.

Сглаживающие фильтры

Пульсации выпрямленного напряжения оцениваются коэффициентом пульсаций р и являются отношением амплитуды первой гармоники входного напряжения U_1вх к среднему значению напряжения на нагрузке U_Rн.ср.:

(31)

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры.

Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя L, включают последовательно с нагрузочным резистором Rн.Фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше L или меньше Rн. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами.

В электронных фильтрах вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагрузочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей.

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной, состоящим из конденсатора, подключенного параллельно нагрузке R_н. Заряжаясь в то время, когда напряжение на входе фильтра близко к максимальному, конденсатор отдает запасенную энергию в нагрузку при уменьшении входного напряжения. В схеме на рис.3 сглаживающим фильтром может быть конденсатор С1. Коэффициент сглаживания емкостного фильтра тем выше, чем больше емкость конденсатора. Правда, при этом укорачиваются импульсы тока подзаряда конденсатора, а, следовательно, растет их амплитуда, что усложняет работу выпрямительных диодов. Емкостные фильтры широко применяют в источниках питания радиоэлектронных устройств, так как они просты и недороги.

Намного эффективнее сглаживающий фильтр, состоящий из двух звеньев: емкостного С1 и RC -звена из элементов R1 и С2. Напряжение на конденсаторе С1 поднимается почти до амплитуды входного, при этом предварительно сглаживаются пульсации. Для окончательного сглаживания служит второе звено. Такой фильтр прост в изготовлении и недорог. Недостатком RC -фильтров является низкий КПД:

(32)

Обычно на резисторе R1 теряется до 10% выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания.

Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.

По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным, а с параллельным включением — шунтовым. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1 Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания малых ЭВМ и маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др.

По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%)) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1%). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты).

Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметры стабилизаторов напряжения позволяют сравнивать их по качеству работы, выбирать те, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации электронных устройств. К таким параметрам относят:

1. Номинальное выходное напряжение U_вых (это выходное напряжение стабилизатора при нормальных условиях его эксплуатации (определенное входное напряжение, заданный ток нагрузки, установленная температура окружающей среды); если стабилизатор позволяет регулировать выходное напряжение, то задается диапазон изменения выходного напряжения U_выхmin и U_выхmax);

2. Диапазон изменения входного напряжения U_вхmin и U_вхmax (позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора);

3. Диапазон изменения тока нагрузки I_нmin и I_нmах (позволяет установить пределы изменения тока нагрузки, при котором сохраняются точностные свойства стабилизатора);

4. Коэффициент полезного действия h_ст (это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности Р_пот, потребляемой от первичного источника питания:

(33)

5. Коэффициент нестабильности по напряжению К_нU - это отношение относительного изменения выходного напряжения DU_вых/U_вых к вызвавшему его изменению входного напряжения DU_вх:

, %/В

(34)

6. Коэффициент нестабильности по току К_нI (это отношение относительного изменения выходного напряжения DU_вых/U_вых к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки DI_н/I_н:

(35)

7. Коэффициент сглаживания пульсаций К_сг (это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения:

(36)

8. Быстродействие (характеризует его способность быстро отрабатывать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки; обычно быстродействие стабилизатора определяют временем установления выходного напряжения при заданном скачкообразном изменении напряжения на входе или тока нагрузки).

Параметрические стабилизаторы напряжения выполняют на специальных полупроводниковых диодах: стабилитронах и стабисторах. Для стабилизации напряжения при помощи стабилитрона используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, а при помощи стабистора — его прямую ветвь.

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Типовая схема включения стабилитрона приведена на рис. 63(а). Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное напряжение стабилизации U_ст, его дифференциальное сопротивление r_ст и температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации зависит от напряжения стабилизации и тока через стабилитрон. Типовые зависимости ТКН стабилитрона от U_ст и I_ст приведены на рис. 63(б). Из этих зависимостей следует, что при низком напряжении стабилизации (менее 5 В) ТКН имеет отрицательный знак и при токе около 10мА составляет примерно - 2,1мВ/°С. При напряжении выше 6В ТКН имеет положительный знак и при U_ст =l0B достигает значения 6мВ/°С. Выбирая ток стабилитрона, можно добиться почти нулевого значения ТКН.

Работа типовой схемы стабилизатора, приведенной на рис. 63(а), происходит следующим образом. Входное напряжение U_вх через ограничительное сопротивление R_Г подводится к параллельно включенным стабилитрону Д и сопротивлению нагрузки R_н. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то тоже относится и к напряжению на нагрузке. Если входное напряжение увеличивается, то практически все приращение DU_вх передается на сопротивление R_Г, что приводит к увеличению тока в нем. Это увеличение тока происходит за счет увеличения тока стабилитрона при почти неизменном токе нагрузки.

Для уменьшения нестабильности при изменении входного напряжения используются многокаскадные параметрические стабилизаторы. В таких стабилизаторах выход первого каскада соединен со входом второго и т.д.

Основными достоинствами параметрических стабилизаторов напряжения являются простота конструкции и надежность работы. К недостаткам следует отнести небольшой коэффициент полезного действия (не превышающий 0,3), большое внутреннее сопротивление стабилизатора (5-20 Ом), а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования.

Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис. 64. Выходное напряжение U_вых стабилизатора через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования (сигнала ошибки) УСО, где сравнивается с напряжением U_оп источника опорного напряжения ИОН. С выхода УСО напряжение ошибки поступает на регулирующий элемент РЭ и изменяет его коэффициент передачи. Уравнение компенсационного стабилизатора можно записать, используя схему рис. 64:

(37)

где U_oп — напряжение опорного источника, U_вых — выходное напряжение стабилизатора, K_Д — коэффициент передачи делителя напряжения ДН, К₀ — коэффициент усиления усилителя сигнала рассогласования УСО и регулирующего элемента РЭ.

Из уравнения (37) получаем значение напряжения на выходе стабилизатора:

(38)

Выходное напряжение компенсационного стабилизатора не зависит от изменения напряжения на входе U_вх и пропорционально опорному напряжению. Иначе говоря, стабильность выходного напряжения компенсационного стабилизатора зависит только от нестабильности элементов, включенных в цепь обратной связи, и не зависит от нестабильности элементов в цепи прямой передачи. В качестве источника опорного напряжения обычно используется один из видов параметрических стабилизаторов, рассмотренных ранее. В этом случае применение делителя напряжения ДН позволяет получать выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника.

К напряжению на входе предъявляются требования такие же, как к напряжению питания усилителя: оно должно быть больше, чем напряжение на выходе, хотя бы на падение напряжения на регулирующем элементе. Чем меньше падение напряжения на регулирующем элементе, тем выше будет КПД компенсационного стабилизатора. Поэтому для нормальной работы стабилизатора необходимо выполнение условий U_вх > U_вых > U_оп» U_д.

По принципу действия компенсационные стабилизаторы делят на две группы: с непрерывным и импульсным регулированием. Основное различие этих стабилизаторов заключается в режиме работы регулирующего элемента: в стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме (т. е. как регулируемое сопротивление), а в стабилизаторах с импульсным регулирования он работает как ключ.

2.2.5 Тема 5 «Индикаторные приборы и их применение»

Основу устройств отображения информации составляют индикаторные приборы или элементы индикации, предназначенные для преобразования электрических сигналов в видимую форму. Элементы индикации могут базироваться на различных физических принципах. Индикаторные приборы удобно классифицировать по физическим явлениям, на которых основаны их принципы действия. В соответствии с этим различают:

1) накальные индикаторы, в которых используется свечение разогретой электрическим током металлической нити накаливания;

2) электролюминесцентные индикаторы, в которых применяется свечение некоторых кристаллических веществ под воздействием электрического поля;

3) электронно-лучевые и вакуумно-люминесцентные индикаторы, основанные на свечении люминофора при бомбардировке электронами;

4) газоразрядные индикаторы, в которых используется свечение газа при электрическом разряде;

5) полупроводниковые индикаторы, в которых применяется излучение квантов света при рекомбинации неосновных носителей заряда в р-n-переходе;

6) жидкокристаллические индикаторы, основанные на изменении оптических свойств жидких кристаллов под воздействием электрического поля.

В настоящее время для отображения знаковой информации чаще всего применяют полупроводниковые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы, для отображения знаковой и графической информации - электронно-лучевые индикаторы, более сложные приборы с широкими возможностями.

Дата добавления: 2014-01-06