Глава четвёртая

4. Источники питания электронных схем

4.1. Функциональный аспект.

Системный этап. Электронные устройства, осуществляющие приём и обработку сигналов, для выполнения этих задач затрачивают энергию источников постоянного тока. Они, в свою очередь, чаще всего получают энергию от сети переменного тока. Электронные источники постоянного тока называют вторичными, но не менее широко распространено другое их название: источники питания. Это название связано с тем, что подавляющая часть электронных устройств, подобно живым организмам, для выполнения своих функций нуждается во внешних источниках энергии. В качестве таковой могут выступать световой поток, преобразованный в постоянное напряжение, химические процессы в аккумуляторах и сеть переменного тока, вырабатываемого на атомных, тепловых и гидроэлектростанциях. Так как эти электростанции работают на широкого потребителя: от мощных металлургических комбинатов до бытовой сети, то было определено оптимальное значение напряжения сети 220/360 В с точки зрения минимизации потерь при передаче энергии на относительно небольшое расстояние.

Указанное переменное напряжение используется непосредственно только в специальных электронных устройствах. Обычно для повышения коэффициента полезного действия η (экономические и эксплуатационные требования) и повышения безопасности пользователей электронных систем (эксплуатационные требования) стремятся уменьшить потребляемую мощность и снижают переменное напряжение, подаваемое на источники постоянного напряжения. Конечно, понижение напряжения не должно сопровождаться большими потерями.

4.2. Магнитные цепи

При изменении во времени токов через индуктивные элементы возникает магнитное поле, посредством которого эти элементы влияют на токи и напряжения друг друга. Наиболее заметно это проявляется для близко расположенных или размещенных на общем сердечнике индуктивных катушек. Такие элементы элек­трических цепей называют индуктивно связанными.

Определение параметров подобных цепей требует анализа пространственного распределения магнитного поля, в общем случае проводимого методами теории электромагнитного поля. Однако в простейших случаях, в первую очередь, для обмоток на общих сердечниках, возможно и более простое описание, основанное на приближенном представлении картины магнит­ного поля, которое принимается полностью локализованным в объеме сердечника. Связи между магнитными потоками в стержнях сердечника и вызывающими их токами (рис. 4.6, а)

Рис. 4.6

могут быть описаны с помощью интегральных параметров магнитных цепей. Магнитные цепи—системы с сердечниками, магнитное поле, в которых создается токами, протекающими в обмотках, расположенных на этих стержнях. Они аналогичны электрическим цепям, в которых токи, текущие по отдельным участкам, вызваны источниками напряжения, действующими в цепи. Допущение по локализации магнитного поля, положенное в основу представления о магнитной цепи, выполняется тем точнее, чем выше магнитная проницаемость материала сердечника.

Расчеты магнитных цепей, связанные с определением магнитных потоков, ведутся аналогично расчетам токов в электри­ческих цепях. Аналогия включает в себя как физические вели­чины, так и связывающие их законы. Аналогом тока i в электрической цепи является магнитный поток Ф в магнитной цепи. Обе эти величины выражаются как поверхностные интегралы от плотности тока J и магнитной индукции В, которые также аналогичны друг другу. Цепь аналогий продолжает напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н. В электрической цепи интеграл по контуру равен сумме напряжений, действующих в этом контуре: . Соответствующая связь в магнитной цепи выражается

законом полного тока

где w_k—число витков обмотки; i_k—ее ток.

Величина i_kw_k в правой части последнего равенства называется магнитодвижущей силой (МДС).

Для участков электрической и магнитной цепей устанавливаются следующие аналогии. Аналогом электрического напряжения является МДС на участке цепи

Отношение напряжения в электрической цепи к току имеет

аналогом магнитное сопротивление участка . Для прямолинейного участка длиной l с постоянным сечением s и постоянными по сечению и длине значениями ин­дукции В и напряженности Н можно записать:

где m_а — абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника.

Поэтому для магнитного сопротивления такого участка имеем

Подобно электрическим сопротивлениям, магнитные сопротивления последовательно включенных (обтекаемых одним магнитным потоком) участков магнитной цепи складываются.

Для расчета разветвленных магнитных цепей (как и электрических) используют законы Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа выражает баланс магнитных потоков Ф_k, сходящихся к узлу магнитной цепи

В контуре магнитной цепи AmBnA действует второй закон

Кирхгофа

т.е. суммарная МДС, которая создается обмотками, охватываемыми кон­туром, равна сумме МДС на участках цепи этого контура.

Сформулированные соотношения и законы позволяют составить математическую модель магнитной цепи любой сложности и далее как обычно рассчитывать. Необходимо иметь в виду, что результаты таких расчетов имеют более приближенный характер, чем результаты расчетов электриче­ских цепей. Это вызвано, прежде всего, рассеянием магнитного потока — непостоянством потока вдоль отдельных участков магнитной цепи, связанным с замыканием части силовых линий магнитного поля по воздуху, окружающему сердечник с обмоткой (линии потока рассеяния изображены на рис. 3.6,а штриховой линией).

Вторым обстоятельством, затрудняющим расчет магнитных цепей, является то, что эти цепи образованы сердечниками из ферромагнитных материалов, магнитная проницаемость которых m зависит от напряженности магнитного поля. Поэтому задача расчета магнитной цепи является нелинейной и требует последовательных приближений с уточнением значений m на участках цепи, т.е. решается с помощью одной из математических программ на компьютера.

4.2.1. Соотношения между токами и напряжениями индуктивно связанных обмоток.

Рассмотрим связи между токами и напряжениями индуктивно связанных обмоток, расположенных на общем сердечнике (рис.3.7). Их взаимное влияние проявляется в том, что при изменении тока i₁ создаваемый им поток Ф_м индуктирует напряжение взаимо­индукции

,

где — потокосцепление взаимоиндук­ции.

Предполагая связь между потокосцеплением и вызывающим его током i₁ линейной (взаимная индуктивность

Рис. 4.7 Надо поставить точки

), запишем выражение для ЭДС взаимоиндукции е_2M в виде

Существует и обратное влияние — в первой катушке наводится ЭДС взаимоиндукции В соответствии с принципом взаимности, M₁₂=M₂₁, при наличии в схеме только двух индуктивно связанных катушек индексы можно опустить.

В зависимости от направления токов в обмотках и пространственной ориентации обмоток потоки само- и взаимоиндукции Ф_L и Ф_M в каждой обмотке могут либо складываться, либо вычитаться. Так, в изображенной на рис. 3.7 магнитной цепи эти потоки складываются, и для суммарных напряжений, индуктированных в обе­их обмотках, имеем

Для преодоления этих напряжений во внешних цепях, к которым

подключены обе обмотки, необходимо приложить напряжения:

.

Эти соотношения определяют связи между токами и напряжениями любых двух индуктивно связанных катушек, в том числе и катушек без сердечников.

О днако используемое на схемах электрических цепей условное графическое изображение катушек не отражает их пространственной ориентации. Поэтому информацию об относительном направлении потоков само- и взаимоиндукции приходится задавать дополнительно.

В связи с этим приняты следующие условные обозначения (рис.4.7). Точки, отмечающие один из зажимов каждой катушки, имеют следующий смысл: при положительном направлении тока в первой катушке (от точки) составляющая напряжения , обусловленная взаимной индукцией, во второй катушке имеет положительное направление также от точки. Таким образом, записанные выше соотношения для напряжения будут справедливы для схемы, изображенной на рис. 4.7 либо при направлении токов в обеих катушках сверху вниз, либо снизу вверх. Заметим, что приводимая на схемах маркировка зажимов катушек точками не предопределяет выбора положительного направления токов в катушках. Выбор направления тока, как и в цепях без взаимной индуктивности, является произвольным.