Источники вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Источники вторичного электропитания

Введение

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.1

Рис.1 Обобщенная структурная схема ИВЭП

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.1 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик как первичного источника, так и наг-рузки. Так, например, при увели-чении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры.

Требования, предъявляемые к ИВЭП:

- высокий КПД;

- высокое качество выходного напряжения;

- высокие динамические параметры;

- хорошие массогабаритные показатели и минимальная стоимость;

- надёжность (наличие защит);

- совместимость с сетью и допустимый уровень радиопомех.

Источники вторичного электропитания классифицируются по следующим основным признакам:

1) по виду входного напряжения - на ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения и ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения;

2) по виду выходного напряжения - на ИВЭП с выходом на переменном токе (однофазные и многофазные), ИВЭП с выходом на постоянном токе и комбинированные ИВЭП - с выходом на переменном и постоянном токе;

3) по выходной мощности - микро мощные источники питания с выходной мощностью до 1 Вт, малой мощности (от 1 до 10 Вт); средней мощности (от 10 до 100 Вт), повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт);

4) по номинальному значению выходного напряжения - низкое (до 100 В), среднее (от 100 до 1000 В), высокое (свыше 1000 В);

5) по степени постоянства выходного напряжения - не стабилизирующие и стабилизирующие ИВЭП;

6) по числу выходов питающих напряжений - одноканальные ИВЭП, имеющие один выход, и многоканальные, имеющие два и более выхода питающих напряжений.

В данной главе внимание будет уделено только наиболее широко применяемым ИВЭП с выходами на постоянном токе.

ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения, делятся на:

1) трансформаторные источники питания, в которых на вход подается переменное напряжение, которое с помощью низкочастотного трансформатора (50 - 60 Гц) преобразуется в одно или несколько переменных напряжений, а на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений;

2) без трансформаторные источники питания, в которых на вход подается переменное напряжение, низкочастотный трансформатор на входе отсутствует, но применено промежуточное преобразование частоты, и на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений.

ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения, делятся на:

1) ИВЭП с гальванической связью входа и выхода;

2) ИВЭП без гальванической связи входа и выхода, в которых на вход подается постоянное напряжение, применено промежуточное преобразование частоты, а на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений.

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. 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.

Классификацию ИВЭП можно выполнить по различным признакам: принципу действия, назначению, количеству каналов выходного напряжения, виду используемых первичных источников и др. В зависимости от вида первичного источника электропитания ИВЭП можно разделить на две группы: инверторные и конверторные. Инверторные ИВЭП используются для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, т. е. они изменяют не только значение, но и род выходного напряжения. К инверторным ИВЭП относятся также преобразователи постоянного напряжения первичного источника в переменное напряжение, питающее нагрузку. Например, к инверторам можно отнести обычный выпрямитель, который преобразует переменное напряжение сети в постоянное выходное напряжение, а также электронный генератор, который преобразует напряжение аккумулятора или гальванического элемента в переменное выходное напряжение, питающее электродвигатель.

Конверторные ИВЭП используются для преобразования одного напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. Заметим, что любой конвертор может содержать внутри себя инвертор, и наоборот.

По принципу действия ИВЭП можно разделить на две группы: трансформаторные и безтрансформаторные. В трансформаторных ИВЭП напряжение переменного тока, например, силовой сети вначале изменяется по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется. В без трансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более высокой частоты. В преобразователе может использоваться высокочастотный трансформатор, поэтому точнее эти источники надо называть несколько иначе: с трансформаторным или без трансформаторным входом. Поскольку преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, то и ИВЭП такого типа часто называют импульсными.

По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это многоканальный ИВЭП с индивидуальной стабилизацией. Если же для стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называется главным или ведущим), то такие источники называются ИВЭП с групповой стабилизацией.

По выходной мощности ИВЭП принято делить на микро мощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 Вт до 1 кВт) и мощные (>1кВт).

1. Основные характеристики ИВЭП

При проектировании или выборе ИВЭП необходимо знать их технические и эксплуатационные характеристики. Этими характеристиками обычно руководствуются при использовании ИВЭП в электронной аппаратуре. Все характеристики ИВЭП можно разделить на три группы: входные, выходные и эксплуатационные.

К входным характеристикам ИВЭП относят:

- значение и вид напряжения первичного источника питания, например, питающей силовой сети или аккумулятора;

- нестабильность питающего напряжения

d=DUc/Uc;

- частоту питающего напряжения и ее нестабильность;

- количество фаз источника переменного напряжения;

- допустимый коэффициент гармоник питающего напряжения.

К выходным характеристикам ИВЭП обычно относят:

- значения выходных напряжений;

- нестабильность выходных напряжений

d=DUвых/Uвых;

- ток нагрузки или выходную мощность по каждому каналу;

- наличие гальванической изоляции между входом и выходом;

- наличие защиты от перегрузки или повышения выходного напряжения.

К эксплуатационным характеристикам относят:

- диапазон рабочих температур;

- допустимую относительную влажность;

- диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы;

- допустимые механические нагрузки;

- коэффициент полезного действия ИВЭП;

- удельную мощность;

- надежность.

Любой стабилизированный источник вторичного электропитания представляет собой совокупность нескольких функциональных узлов, выполняющих различные виды преобразования электрической энергии: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, трансформирование, регулирование, стабилизацию, усиление, защиту и т.д. Эти функциональные узлы характеризуются рядом признаков: назначением, входными и выходными параметрами, условиями эксплуатации, элементной базой.

Выпрямитель В - преобразователь напряжения переменного тока любой формы в однополярное (пульсирующее) напряжение. Он представляет собой один или несколько нелинейных элементов с односторонней проводимостью, соединенных в одну из многочисленных схем выпрямления.

Фильтр Ф - устройство содержащее С, L и активные R элементы и предназначенное для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Фильтр используется также для защиты от помех, поступающих во вторичный источник из первичной питающей сети, и для уменьшения уровня помех, создаваемых самим вторичным источником питания в первичной сети.

Инвертор И - статический преобразователь напряжения постоянного тока в переменный. Выполняется на полупроводниковых приборах - транзисторах или тиристорах, работающих в режиме переключения. Форма напряжения на выходе прямоугольная, реже синусоидальная, пилообразная и т.д.

Трансформатор Т - преобразователь напряжения переменного тока одного номинала в одно или несколько напряжений переменного тока других номиналов.

Трансформатор применяется в источнике вторичного электропитания как самостоятельный узел или входит в состав других узлов, например усилитель мощности. Стабилизатор напряжения СН - устройство, поддерживающее неизменным напряжение постоянного тока или переменного тока в заданных пределах при воздействии различных возмущающих воздействий. В результате, в ряде случаев стабилизатор напряжения осуществляет точную установку номинала выходного напряжения, обеспечивает возможность плавной регулировки напряжения. Стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным способом регулирования могут подавлять переменную составляющую в напряжении постоянного тока.

Регулятор напряжения РН - устройство, изменяющее напряжение на нагрузке по требуемому закону в заданном диапазоне регулирования. В качестве РН может быть использована любая схема стабилизации напряжения, у которой разомкнута ООС. Вместо ошибки регулирования в цепь ООС регулятора подается внешний управляющий сигнал, значение которого меняется вручную или автоматически заданной программе.

Отдельные функциональные узлы ИВЭП могут совмещать в себе несколько функций: выпрямление и регулирование напряжения постоянного тока в регулируемом выпрямителе ВР; инвертирование, выпрямление и фильтрацию напряжения постоянного тока в конверторе К; инвертирования, трансформацию и стабилизацию СИ (стабилизированный инвертор). Подобные схемы позволяют упростить схему источника вторичного электропитания, повысить его КПД и надежность работы. На рисунке 1.1 показан один из вариантов функциональных схем ИВЭП.

Рис. 2 Функциональная схема ИВЭП

На вход подается переменное напряжение Uc, которое с помощью трансформатора TV изменяется до требуемой величины. Кроме того, трансформатор осуществляет гальваническую развязку источника выпрямленного напряжения нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений, гальванически не связанные. После трансформатора переменное напряжение с помощью выпрямителя В преобразуется в пульсирующее напряжение. В выпрямленном напряжении помимо постоянной составляющей, присутствует и переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра Ф снижается до требуемого уровня, так, что напряжение на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения СН поддерживает неизменным напряжение UН на нагрузке при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления нагрузки.

2. Трансформатор

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

На замкнутом магнито - проводе расположены две обмотки. К одной обмотке с числом витков w1, которая носит название первичной, подводится электрическая энергия от источника питания Ист; от другой - вторичной обмотки с числом витков w2 - энергия отводится к приемнику Пр. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (токи, э.д.с. и т. д.), называются первичными или вторичными и имеют соответствующие индексы 1 и 2.

Под действием подведенного переменного напряжения u1 в первичной обмотке возникает ток i1 и возбуждается изменяющийся магнитный поток. Этот поток индуцирует э.д.с, e1 и е2 в обмотках трансформатора. Э.д.с. e1 уравновешивает основную часть напряжения источника u1, э.д.с. е2 создает напряжение и2 на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи возникает ток i2, который образует собственный магнитный поток, накладывающийся на поток первичной обмотки. В результате создается общий поток Ф, сцепленный с витками обеих обмоток трансформатора и определяющий в них результирующие э.д.с. е1 и е2. Стрелки напряжения u1 и тока i1 представляют первичную обмотку как приемник энергии, Положительное направление потока Ф связано с током i2 правилом право ходового винта. То же правиле определяет положительные направления потока Ф, э.д.с. е1 и е2. Стрелки e2 и i2 вторичной обмотки соответствуют направлениям э.д.с. и тока источника электрической энергии. Стрелка напряжения и2 на зажимах вторичной обмотки, равного напряжению на приемнике, должна совпадать по направлению со стрелкой тока i2. Только учитывая условно-положительные направления электрических величин, можно правильно записать уравнения электрического состояния трансформатора.

Помимо основного (рабочего) потока в магнито - проводе токи обмоток создают в окружающем пространстве магнитное поле рассеяния. Рассматривая принцип действия трансформатора, можно пренебречь этим полем. Одновременно будем пренебрегать активными сопротивлениями обмоток. Трансформатор, для которого приняты эти условия, называют идеализированным.

электропитание трансформатор выпрямитель

3. Выпрямители

Выпрямители служат для получения постоянного напряжения с помощью преобразования переменного тока электрической сети в постоянное пульсирующее напряжение и сглаживания пульсации при помощи фильтра.

Основными элементами выпрямителя являются: силовой трансформатор для повышения или понижения преобразуемого переменного напряжения, выпрямительный элемент (вентиль) с односторонней проводимостью для преобразования переменного напряжения в пульсирующее и фильтр для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители классифицируют по схеме выпрямления, типу выпрямительного элемента, величине выпрямленного напряжения и назначению. В зависимости от числа фаз выпрямляемого переменного тока и способа присоединения вентилей и потребителя различают схемы выпрямителя однофазного (однополупериодная, двух полупериодная, мостовая, удвоения напряжения) и трехфазного тока (трехфазная однополупериодная, трехфазная мостовая, шестифазная и др.).

Для питания маломощных усилителей низкой частоты и радиоприемников применяют схемы выпрямителя однофазного тока.

Литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 790 с.

2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. / Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. - М.: Высш. шк., 2002. - 384 с.: ил.

3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 488 с.: ил.

4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. - 6-е изд. - М.: Мир, 2003. - 704 с., ил.

5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 252 с.

Размещено на Allbest.ru