Глава 4. Источники вторичного электропитания

4.1. Классификация и структура источников

вторичного электропитания

Вторичные источники электропитания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. Вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество – от генераторов, аккумуляторов и т.д. Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя. Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники, поскольку надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вторичный источник электропитания. В дальнейшем будем называть источники вторичного электропитания просто источниками питания.

Основной характеристикой источника питания является внешняя или нагрузочная характеристика (рис. 4.1), представляющая собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки источника питания.
	Рис. 4.1

Нагрузочная характеристика имеет рабочий участок от до , в пределах которого .

Основными параметрами источника питания являются:

- номинальные значения напряжения и тока ;

- рабочий диапазон по напряжению и по току ;

- выходная мощность ;

- коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности ;

- температурный диапазон , в котором обеспечивается получение номинальных значений напряжения и тока ;

Наиболее доступным первичным источником питания является силовая сеть переменного напряжения 220В, 50Гц. Типичная структурная схема вторичного источника при питании его от такой сети представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Обычно трансформатор является понижающим. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения, получаемого с выхода выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения (стабилизирует напряжение) на нагрузке, вызванные изменением напряжения питающей сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Источник питания с такой структурой называется источником питания без преобразования частоты. Такие источники питания используются достаточно широко, но их все чаще заменяют источниками с преобразованием частоты. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты объем сердечника трансформатора , работающего на частоте 50Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются достаточно большими.

Структура источника питания с преобразованием частоты приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3

В этих источниках питания напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1. На выходе сглаживающего фильтра 1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью так называемого инвертора. Инвертор представляет собой устройство, осуществляющее преобразование низкочастотного напряжения в высокочастотное напряжение (обычно используют частоты в десятки килогерц). Затем напряжение передается через стабилизатор, трансформатор, выпрямитель 2 и сглаживающий фильтр 2. Так как трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его габариты и вес, а также вес и габариты сглаживающего фильтра 2 оказываются существенно меньшими, чем в схеме без преобразования частоты. В качестве активных приборов в инверторе используются транзисторы (биполярные или полевые) или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

Источники питания с преобразованием частоты широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают, как правило, значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты.

Рассмотренные структуры источников питания предусматривают получение одного значения номинала выходного напряжения. Некоторые устройства электроники требуют для своей работы нескольких значений номиналов питающего напряжения. В этом случае осуществляется разветвление рассмотренных структур, которое может быть выполнено на любом из структурных элементов. Для примера на рис. 4.4 приведена схема, в которой разветвление осуществляется за счет использования входного понижающего трансформатора с несколькими вторичными обмотками.

Рис. 4.4

Основным структурным элементом, обеспечивающим выходные параметры и характеристики источника питания, является стабилизатор.

По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы – это устройства, в которых стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется в результате перераспределения напряжений между линейным и нелинейным элементами стабилизатора. В качестве нелинейного элемента в параметрических стабилизаторах используются электронные приборы, обладающие ярко выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой.

Компенсационные стабилизаторы – это устройства, содержащие цепь отрицательной обратной связи, по которой сигнал об изменении напряжения на выходе стабилизатора подается на регулирующий элемент. Стабилизация напряжения на нагрузке в таких стабилизаторах осуществляется за счет соответствующего изменения тока, протекающего через регулирующий элемент.

По способу включения регулирующего элемента по отношению к нагрузке компенсационные стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В последовательных компенсационных стабилизаторах регулирующий элемент и нагрузка включаются последовательно по отношению к входному напряжению, а в параллельных регулирующий элемент подключается параллельно нагрузке.

По способу регулирования компенсационные стабилизаторы различаются на непрерывные и импульсные. В непрерывных стабилизаторах через регулирующий элемент непрерывно протекает постоянный ток, величина которого определяется мгновенным значением сигнала об изменении напряжения на выходе стабилизатора. В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент поочередно переключается управляющим сигналом об изменении напряжения на выходе стабилизатора из открытого состояния в закрытое и наоборот. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется за счет регулирования соотношения между продолжительностями нахождения регулирующего элемента в открытом и закрытом состояниях.

Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами.

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению – отношение относительных приращений напряжения на входе и выходе стабилизатора при постоянной нагрузке:

,

где , – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки, соответственно и – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

2. Выходное (внутреннее) сопротивление стабилизатора , равное отношению приращения выходного напряжения к приращению тока нагрузки при неизменном входном напряжении:

.

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности:

.

4. Температурный коэффициент стабилизатора, определяемый отношением приращения выходного напряжения стабилизатора под действием изменения температуры окружающей среды к этому приращению и номинальному значению выходного напряжения:

.

Суммарная нестабильность выходного напряжения, определяющая качества выходного напряжения стабилизатора в статическом режиме определяется как: .

Для стабилизаторов с интегральными схемами, особенно для интегральных микросхем стабилизаторов в качестве наиболее важных статических параметров используются коэффициенты нестабильности по входному напряжению и по току нагрузки:

- коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения (%/В)

,

где – приращение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением напряжения на входе ;

- коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки (%/А)

,

где – приращение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением тока нагрузки на .