Классификация вторичных источников питания. Аналоговые вторичные источники питания.

Классификация вторичных источников питания.

Назначение вторичных источников питания (ВИП) – преобразование сетевого напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем. Выделяют две основные структурные схемы ВИП: аналоговую и импульсную. Аналоговая схема, обладая простотой реализации, имеет существенный недостаток: громоздкий сетевой трансформатор, поэтому в настоящее время широкое применение получили импульсные ВИП, которые, несмотря на большее число структурных блоков, в целом, имеют меньшие габаритные размеры и массу, поскольку эти параметры у высокочастотных трансформаторов на ферритовых сердечниках несравнимо лучше, чем у сетевых трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали.

Аналоговые вторичные источники питания (рисунок 12.1).

Рисунок 12.1. Структурная схема аналогового ВИП

Трансформатор преобразует сетевое напряжение в переменные напряжения, необходимые для формирования заданных уровней постоянных выходных напряжений.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее, содержащее постоянную составляющую и переменное напряжение пульсаций. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 12.2.

Рисунок 12.2 – Схема однополупериодного выпрямителя

Во вторичных источниках питания данная схема практически не применяется. Временныедиаграммы приведены на рисунке 12.3.

Рисунок 12.3. Временные диаграммы: а – входного напряжения; б – выходного напряжения

Напряжения на обмотках трансформатора можно представить следующим образом при от 0 до 180˚:

.

Напряжение на нагрузке

или после разложения в ряд Фурье,

Коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя:

.

Существенно улучшается форма кривой напряжения на нагрузке при шунтировании ее конденсатором, возрастает постоянная составляющая напряжения и уменьшается амплитуда переменного напряжения пульсаций, т.к. конденсатор поддерживает напряжение на нагрузке в паузе между полуволнами входного напряжения (рисунок 12.4) однополупериодного выпрямителя.

Рисунке 12.4 – Схема резистивно-емкостной нагрузки. Влияние нагрузочной емкости

Влияние емкостной нагрузки эффективнее, если выполняется неравенство

,

где – сопротивление прямосмещенного диода; – постоянная времени заряда конденсатора при положительной полуволне входного напряжения; – то же для паузы.

Наиболее распространена схема двухполупериодного мостового выпрямителя, схема и временные диаграммы напряжений представлены на рисунке 12.5, 12.6 соответственно.

Рисунок 12.5 – Схема мостового выпрямителя

Рисунок 12.6 – Временные диаграммы напряжений

После разложения в ряд Фурье напряжение на нагрузке имеет вид

.

Соответственно, коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей напряжения, будет

Таким образом, качество выпрямления значительно лучше предыдущего.

Фильтр выполняет роль сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя, обычно это Г-образный -фильтр, в простейшем случае – однозвенный, реализованный на дросселе и конденсаторе (рисунок 12.7).

Рисунок 12.7 – Схема однозвенного сглаживающего LC-фильтра

Поскольку для напряжения пульсаций фильтр представляет собой индуктивно-емкостный делитель, то его работа будет эффективна при выполнении неравенства

где – число фаз выпрямления (две для двухполупериодного выпрямителя); – частота сетевого напряжения.

Оценка сглаживающего действия производится с помощью коэффициента фильтрации

,

где , – амплитуды пульсаций на входе и выходе фильтра. Обычно достаточно обеспечить и , чтобы получить .

Стабилизатор предназначен для поддержания неизменным в заданных пределах выходного постоянного напряжения при колебаниях входного напряжения (поступающего с фильтра). Используются три основные схемы стабилизаторов: параметрического, компенсационного, импульсного. Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации

.

Принцип работы параметрического стабилизатора основан на свойстве полупроводникового элемента (стабилитрона) сохранять неизменным напряжение обратимого пробоя (напряжение стабилизации) при колебаниях в известных пределах входного напряжения. Коэффициент стабилизации схем этого типа невысок и составляет 10...30 относительных единиц, применяются они в основном для ограничения уровней напряжений. Более качественными характеристиками обладают компенсационные аналоговые и импульсные стабилизаторы, имеющие в своем составе регулируемый по цепи обратной связи элемент, который компенсирует отклонения входного напряжения, поддерживая тем самым неизменным напряжение на нагрузке.

Принцип работы аналогового компенсационного стабилизатора поясняется схемой, представленной на рисунке 12.8, на которой регулируемый транзистор выполняет роль резистора, включенного последовательно с нагрузкой. В качестве усилителя постоянного тока используется регулирующий транзистор , а стабилитрон для грубой установки .

Рисунок 12.8 – Схема компенсационного -фильтра стабилизатора

Для компенсации знакопеременных отклонений входного стабилизатора напряжения выходное напряжение устанавливается меньше входного на 10...20% выбором стабилитрона и резистивным делителем , включенным параллельно нагрузке, при этом точная установка заданного номинала осуществляется переменным резистором . При колебаниях входного напряжения изменяется падение напряжения на регулируемом транзисторе , напряжение на нагрузке при этом практически неизменно. Благодаря усилительным свойствам транзистора отслеживаются весьма малые колебания напряжения на нагрузке. Приведенный стабилизатор обладает высоким коэффициентом стабилизации (100 и более относительных единиц), при этом в практических схемах вместо применяется операционный усилитель в интегральном исполнении серии К142ЕН. Недостатком схемы является непрерывный режим работы регулируемого транзистора, что увеличивает рассеиваемую на нем мощность.