Источники вторичного электропитания

 

Структуры источников электропитания

 

Для любого электронного устройства необходим источник питания, который должен давать одно или несколько значений постоянного напряжения. Конечно, в качестве источника питания можно использовать гальванические батареи, но при большом потреблении мощности это неэкономично. В этом случае применяют специальные электронные устройства, обеспечивающие формирование требуемых питающих напряжений и называемые источниками электропитания.

 

 

Рис. 2.27. Структурные схемы источников вторичного электропитания

 

Источники электрической энергии, необходимой для питания любой электронной аппаратуры, принято делить на источники первичного и вторичного электропитания.

К первичным источникам электропитания относят трехфазную (или однофазную) сеть промышленной частоты 50 Гц (для стационарной аппаратуры) и генераторы постоянного или переменного напряжения повышенной частоты 400—500 Гц. Химические гальванические элементы и солнечные батареи используются только для питания бортовой аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах и требующих автономного электропитания.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) выполняют функции преобразования вида тока (переменный — постоянный), стабилизации и регулировки напряжения или тока, фильтрации различных помех, возникающих при переключении, стабилизации и регулировке напряжения и т.д. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется выпрямителями, а обратное преобразование постоянного тока в переменное — инверторами (не путать с инверторами — электронными схемами «НЕ»).

Подавляющая часть устройств информационно-вычислительных систем потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Если первичным источником служит сеть переменного тока U _~, то источник вторичного электропитания чаще всего имеет структуру, приведенную на рис. 2.27, а.

Мощный трансформатор Т, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем B в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным, не зависящим от изменений напряжения сети, температуры, тока нагрузки Н и других дестабилизирующих факторов.

Источники вторичного электропитания являются неотъемлемой частью любой электронной аппаратуры и в значительной степени определяют ее технико-экономические показатели. На долю источников питания нередко приходится до 40 % общей массы и объема аппаратуры, поэтому одной из задач, стоящих перед проектировщиками, является их комплексная миниатюризация.

Из всех узлов ИВЭП наиболее громоздкие, как правило, узлы, выполненные на магнитопроводах из ферромагнитных материалов (трансформаторы и дроссели фильтров).

Стремление уменьшить массу и габаритные размеры источников электропитания привело к структурной схеме, называемой «ИВЭП с бестрансформаторным входом» (рис. 2.27, б). В этой структуре переменное напряжение первичной сети сначала выпрямляется B1 и фильтруется Ф1, а затем инвертируется в инверторе И в переменное, но с частотой 20…50 кГц. На этой частоте напряжение трансформируется Т до нужного уровня, вновь выпрямляется B2, фильтруется Ф2 и при необходимости стабилизируется Ст. Масса и габариты магнитопровода трансформатора (дросселя) обратно пропорциональны частоте переменного тока. Поэтому на высокой частоте происходит резкое уменьшение размеров трансформатора и фильтра Ф2. За счет этого, несмотря на большее по сравнению со структурой рис. 2.27, а число узлов и двойное преобразование вида тока, источник получается значительно меньше по массе и габаритным размерам.

 

Выпрямительные устройства

 

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.28, а) ток I _н через диод проходит в нагрузку R _н только в положительные полупериоды напряжения U ₂, так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющая I ₀ представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения, равную (согласно разложению функции в ряд Фурье):

 

 

где U _2max и U ₂ — амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора. По заданному U ₀ можно найти U ₂ и определить необходимый коэффициент трансформации U ₁/ U ₂ при известном напряжении U ₁ питающей сети переменного тока.

 

исправить черточку от U _{2 max} – она должна указывать на верхнюю точку синусоиды

 

Рис. 2.28. Выпрямительные устройства и графики, поясняющие их работу:

а — однополупериодный выпрямитель; б — двухполупериодный выпрямитель

 

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение

U _обр= U _2max=π U ₀,

поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию U _{обр доп} ≥ π U ₀, а допустимый через диод прямой ток — условию I _{ср доп} ≥ I ₀.

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из четырех диодов, включенных по так называемой мостовой схеме (рис. 2.28, б).

Напряжение U ₂ в положительный полупериод открывает диоды VD 1 и VD 3 и от точки А к точке В по цепи «VD 1— R _н — VD 3» протекает ток нагрузки I _н = I _1,3 . При этом диоды VD 2и VD 4 заперты.

В отрицательный полупериод напряжение U ₂ открывает диоды VD 2и VD 4 и ток I _н = I _2,4 течет от точки В к точке А по цепи «VD 2— R _н — V D4», проходя по нагрузке в одном и том же направлении.

В этой схеме постоянные составляющие тока I ₀ и напряжения U ₀ в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD 2 в положительный полупериод напряжения U ₂.

При открытом диоде VD 1 потенциал точки А^’ близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD 2. Значит, к диоду VD 2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора U _обр = U _2max, т. е. такое же, как и в однополупериодной схеме.

Ток, протекающий через каждый из диодов, I _ср = I ₀/2, т.е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

 

Пример 2.1. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (см. рис. 2.28, б), если необходимо получить мощность в нагрузке Р ₀ = 600 Вт и напряжение U ₀ =115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Решение. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

U ₂ = U ₀/0,9 = 115/0,9 = 127 В.

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации K = 220 / 127 = 1,73.

Постоянный ток в нагрузке

I₀ = P ₀ / U ₀ = 600 /115 = 5,2 А.

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых I _{ср доп} ≥ 5,2/2 = 2,6 А, а допустимое обратное напряжение

U _{обр доп} ≥ U _2max = · U ₂ = · 127 = 180 В.

Трехфазные выпрямители применяют при больших мощностях, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть.

Вторичная обмотка трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке R _н через три диода (рис. 2.29, а). Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. На рис. 2.29, в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке, и имеющая значительно меньшие пульсации, чем в схемах рис. 2.28.

В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы:

,

где U _2max и U ₂ — амплитудное и действующее значения фазного напряжения, а средний ток через диод I _ср = I ₀/3.

 

 

Рис. 2.29. Трехфазные выпрямители:

а — трансформаторный; б — бестрансформаторный; в — график, поясняющий работу выпрямителя

 

В бестрансформаторном трехфазном выпрямителе (рис. 2.29, б) соотношения для чисто активной нагрузки равны:

,

где U _max и U — амплитудное и действующее значения линейного напряжения сети, а средний ток через каждый из шести диодов I _ср = I ₀ /3.

Пример 2.2. Чему равно выпрямленное напряжение бестрансформаторного трехфазного выпрямителя (см. рис. 2.29, б), подключенного к сети с линейным напряжением U = 380 В, и на какое обратное напряжение должны быть рассчитаны диоды?

Решение. Постоянное напряжение равно U ₀ ≈ 1,35 · 380 = 513 В и диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение .

 

Сглаживающие фильтры

 

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

 

 

Рис. 2.30. Сглаживающие фильтры:

а — RC -фильтр; б — график, поясняющий работу фильтра; в — LC -фильтр;

г — П-образный RC -фильтр

 

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя В параллельно нагрузке (рис. 2.30, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 2.30, б показана форма напряжения на конденсаторе U_С (а значит, и на параллельно включенном R _н) при двухполупериодном выпрямителе.

Для дальнейшего снижения пульсаций применяют Г-образные LC -фильтры (рис. 2.30, в). Индуктивное сопротивление X_L = ω L _ф стремятся сделать значительно больше R _н для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной ω и выше «задерживались» бы фильтром в виде падения напряжения на X_L, не достигая нагрузки. Емкостное же сопротивление X_С = 1/ω C _ф выполняют значительно меньше, чем R _н, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через X_С, минуя R _н. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, X_С = ∞, не создает падения напряжения на L _ф и не замыкается через C _ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LС -фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении. Поэтому в интегральных микросхемах при токах нагрузки в несколько миллиампер используют RC -фильтры (рис. 2.30, г), несмотря на их несколько худшие сглаживающие свойства и меньшие КПД.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: