Источники питания электронных устройств

Общие сведения

Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Струк­турная схема источника питания представлена на рис. 17.1.

Рис. 17.1

В связи с этим источники питания электронных устройств классифици­руются по виду преобразования энергии первичного источника – источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию по­стоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трех­фазного тока, регулируемые и нерегулируемые.

Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, ис­пользуемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие тре­бования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусои­дальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).

Выпрямители

Однофазные выпрямители

Выпрямителем называется электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока (обычно синусоидального) в энергию постоянного тока.

Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод – вентиль.

Для преобразования однофазного переменного напряжения в источниках в основном используют три схемы: однополупериодную, двухполупериодную мостовая и двухполупериодную со средней точкой трансформатора. Схема однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис. 17.2.

Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка кото­рого включена в сеть переменного тока, а последовательно со вторичной включен диод VD и сопротивление нагрузки. Трансформатор служит для по­лучения необходимого уровня переменного напряжения и гальванической раз­вязки цепей переменного и выпрямленного тока.

Рис. 17.2

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рис. 17.2 б). При этом для простоты анализа будем считать активное сопротивление обмоток трансформатора и прямое сопротивление диода равными нулю. В первый полупе­риод (0 – ) напряжение положительно, диод открыт, в сопротивлении нагрузки возникает ток . Во время напряжение отрицательно – диод закрыт. Ток нагрузки равен нулю и все напряжение приложено ко вто­рому диоду.

Достоинством такой схемы является ее простота. Недостатками – высокий коэффициент пульсации выпрямленного напряжения и нали­чие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке транс­форматора. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены при использова­нии двухполупериодных схем выпрямления.

Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (рис. 17.3 а) состоит из транс­форматора ТV и четырех диодов VD1 – VD4, включенных по мостовой

Рис. 17.3

схеме. К одной диагонали моста подключена обмотка трансформатора, к другой – нагрузочное сопротивление . Каждая пара диодов работает поочередно. В первый полупериод напряже­ния U₂ открыты диоды VD1 и VD3, а VD2 и VD4 закрыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD1, VD3 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод напряжение отрицательно, диоды VD1, VD3 заперты, а диоды VD2, VD4 открыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD2, VD4 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2. Временные диаграммы показаны на рис. 17.3 б.

а) б)

Рис. 17.4

В этой схеме среднее значение выпрямленных напряжения и тока, примерно, в два раза больше, а пульсации значительно меньше по сравнению с однополупериодным выпрямителем. В то же время количество диодов увеличилось в четыре раза.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 17.4 а) можно рассматривать как объединенные вместе два однополупериодных выпрямителя. В каждый полупериод напряжения работает или верхняя, или ниж­няя часть схемы. При положительном напряжении диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт. Ток нагрузки протекает через диод VD1 и от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод положительно направление . Диод VD1 закрыт, VD2 – открыт. Ток нагрузки протекает через диод VD2 и также от точки 1 к точке 2 (рис. 17.4 б).

Эта схема имеет те же преимущества перед однополупериодным вы­прямителем, что и мостовая схема. Количество диодов в два раза меньше, чем у мостового выпрямителя, но применение трансформатора увеличивает ее массу и габариты.

Трехфазные выпрямители

В трехфазных цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в основном используют две схемы выпрямителей: трехфазный выпрямитель с нейтральной точкой и трехфазный мостовой выпрямитель. Трехфазные выпря­мители используют как выпрямители средней и большой мощности (средние значения выпрямленного тока достигают сотни ампер).

В состав трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой (рис. 17.5 а) вхо­дят трехфазный трансформатор с соединением обмоток звездой, три диода, вклю­ченные в каждую фазу вторичной обмотки трансформатора, и нагрузочный рези­стор.

Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течение трети пе­риода. Ток нагрузки равен сумме токов каждого диода и имеет всегда одно и то же направление. Как видно из временной диаграммы (рис. 17.5 б), пульса­ции выпрямленного напряжения значительно ниже, чем у однофазных вы–­

а) б)

Рис. 17.5

прямителей. Среднее значение напряжения , где – действую­щее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформа­тора.

К достоинствам выпрямителя с нейтральной точкой следует отнести его высокую надежность и минимальное количество диодов.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 17.6 а) содержит шесть диодов, включенных по мостовой схеме в фазы вторичной обмотки трехфаз­ного трансформатора.

а) б)

Рис. 17.6

Общая точка первой группы диодов VD1, VD3, VD5 представляет собой положительный полюс на сопротивлении нагрузки, а второй группы VD2, VD4, VD6 – отрицательный полюс. В выпрямителе возникает ток через на­грузочное сопротивление и два соответствующих диода в каждый момент времени, когда к диодам приложено наибольшее напряжение. Причем в лю­бой интервал времени токи всегда имеют одно и то же направление (рис. 17.6 б). Коэффициент пульсации трехфазного мостового выпрямителя на порядок ниже, чем однофазного двухполупериодного выпрямителя. Среднее значение выпрямленного напряжения .

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители, наряду с преобразованием переменного тока в постоянный, дают возможность плавно регулировать в достаточно широких пределах среднее значение выпрямленного напряжения.

Основным элементом управляемого выпрямителя является тиристор, ко­торый включается при подаче импульса на его управляющий электрод со схемы управления. Момент включения (отпирания) тиристора зависит от сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением включающего импульса. Угол сдвига фаз называется углом регулирования . Та­кой способ управления называется фазовым.

Управляющие импульсы формируются электронной импульсно-фазовой системой управления (ИФСУ). Регулирова­ние угла сдвига фаз может осуществляться как вручную, так и автоматиче­ски.

Обычно управляемые выпрямители строят по тем же схемам, что и не­управляемые. Наиболее распространенные схемы регулируемых выпрямителей и их временные диаграммы приведены в таблице 17.1.

Сглаживающие фильтры

Для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

В схемах источников питания сглаживающие фильтры включают между диодной (тиристорной) группой и нагрузкой. Основными элементами сглажи­вающих фильтров являются катушки индуктивности, конденсаторы, транзи­сторы, сопротивления которых зависит от частоты и различны для постоянного и переменного токов. Так, для обеспечения фильтрации последовательно с при­емником включают элементы, имеющие большее сопротивление для перемен­ной составляющей выпрямленного тока и меньшее – для постоянной, а парал­лельно – наоборот. Элементом, включаемым параллельно нагрузке, может быть конденсатор большой емкости.

Простейшие фильтры состоят, как правило, из одного реактивного эле­мента – конденсатора или катушки. Сложные фильтры содержат несколько элементов (таблица 17.2). В зависимости от типа фильтрующего элемента фильтры разделяются на емкостные, индуктивные и электронные. По сложно­сти фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Основными параметрами, характеризующими работу фильтра, являются:

1) коэффициент сглаживания – отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра;

2) коэффициент фильтрации – отношение амплитуд основных гармо­ник напряжения на входе и выходе фильтра;

3) коэффициент передачи постоянной составляющей – отношение посто­янных составляющих на входе и выходе фильтра (таблица 17.2).

Таблица 17.1

Схема управляемого выпрямителя	Форма выходного напряжения
однофазная однополупериодная
однофазная мостовая
трехфазная с нейтральной точкой

Стабилизаторы

Электронные устройства предъявляют достаточно жесткие требования к качеству электроэнергии, потребляемой от источников питания. Колебания напряжения и частоты промышленной сети переменного тока, изменение на­грузки в широких пределах, влияние температуры окружающей среды и т.д. диктуют необходимость различных стабилизирующих устройств в схемах ис­точников питания.

Стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы напряжения и тока, па­раметрические и компенсационные, непрерывного и импульсного регулирова­ния.

Основной характеристикой работы любого стабилизатора является коэф­фициент стабилизации

по напряжению

, (17.1)

по току

, (17.2)

где , – приращения входного и выходного напряжения; – прира­щение тока нагрузки; , , – номинальные значения входного и выходного напряжения и тока нагрузки соответственно.

Наиболее простым стабилизатором постоянного напряжения является па­раметрический, основанный на подключении параллельно нагрузке полупро­водникового стабилитрона (рис. 17.7 а).

Кроме стабилитрона, в стабилизатор входит балластный резистор для создания требуемого режима работы. Принцип работы стабилизатора основан на нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Таблица 17.2

Схема фильтра	Параметры
Емкостный фильтр
Индуктивный фильтр
LC-фильтр
Электронный фильтр	____	____	____

При увеличении напряжения, подаваемого на вход стабилизатора, рабо­чая точка характеристики (рис. 17.7 б) перемещается из точки 1 в точку 2. Ток стабилитрона при этом изменяется достаточно сильно. Но напряжение мало отличается от напряжения , т.е. практически не изменяется напря­жение нагрузки.

а) б)

Рис. 17.7

Основным достоинством параметрического стабилизатора является на­дежность работы и простота схемы. Недостатки – низкий коэффициент полезного действия, а также некоторые колебания напряжения стабилизации при изменениях , обусловленные наличием большого динамического сопротивления стабилитрона. Кроме того, напряже­ние стабилизации существенно зависит от температуры окружающей среды, что особенно заметно у мощных стабилитронов.

Перечисленные недостатки обусловили создание так называемых ком­пенсационных стабилизаторов. Основу схем компенсационных стабилизаторов составляют транзисторы, работающие в режиме эмиттерного повторителя, или операционные усилители в интегральном исполнении.

На рис. 17.8 а представлена схема простейшего компенсационного стаби­лизатора. Транзистор VT1 работает в режиме эмиттерного повторителя, а на–­

а) б)

Рис. 17.8

пряжение на его базе задается параметрическим стабилизатором на стабили­троне VD и резисторе . Ток параметрического стабилизатора значительно меньше тока нагрузки. Следовательно, КПД компенсационного стабилизатора выше, чем параметрического, поскольку у первого основная часть входного тока попадает в нагрузку, тогда как у второго в большей степени ответвля­ется в стабилитрон. Транзистор VT1 в данной схеме работает не в ключевом, а в активном режиме. Усилитель постоянного тока выполнен на маломощном транзисторе VT2 и резисторе . С помощью резистора регули­руется напряжение .

При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки увеличивается напряжение . Появляется сигнал обратной связи в виде части напряжения , снимаемого с делителя , , , который сравнивается с напряжением на стабилитроне. Напряжение на стабилитроне остается постоян­ным, поэтому напряжение транзистора VT2 уменьшается, значит, снима­ется ток коллектора транзистора VT2. Это приводит к уменьшению напряжения транзистора VT1, вследствие чего стабилизируется напряжение .

Для повышения эффекта стабилизации в последнее время вместо усили­теля на транзисторе (VT2) используют схемы с интегральными операционными усилителями (рис. 17.8 б). В таких стабилизаторах существенно увеличивается коэффициент усиления, что позволяет повысить коэффициент стабилизации и снизить пульсации выходного напряжения стабилизатора.

Инверторы

Некоторые электронные устройства, входящие в состав автоматических систем управления производственными процессами, требуют для своей работы энергию переменного тока определенной частоты. Такие системы устанавли­вают на различных мобильных агрегатах, источниками питания которых слу­жат устройства прямого преобразования энергии (топливные элементы, акку­муляторные батареи, термо- и фотоэлектрические преобразователи и др.).

В состав блока питания электронных устройств входят так называемые автономные инверторы, осуществляющие преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой.

Рассмотрим устройство и работу инвертора на примере однофазного мос­тового автономного инвертора напряжения (рис. 17.9 а).

а) б)

Рис. 17.9

Основными элементами инвертора являются тиристоры и конденсатор. Конденсатор обязателен в схеме для обеспечения запирания тиристоров и фор­мирования выходного напряжения.

В автономном инверторе напряжения источник питания работает в ре­жиме источника ЭДС. Напряжение на нагрузке появляется при поочеред­ном включении тиристоров VS1, VS4 и VS2, VS3, управление кото­рыми осуществляется импульсами сигналов, поступающих от специальной схемы управления СУ.

Входной управляющий импульс от СУ открывает первую пару тиристо­ров VS1 и VS4 и закрывает ранее открытые VS2 и VS3. На сопротивле­нии нагрузки возникает напряжение положительной полярности, которое равно ЭДС Е источника питания (рис. 17.1 б). Второй управляющий импульс запирает тиристоры VS1 и VS4 и открывает пару VS1 и VS4. В этом случае напряжение , также равное ЭДС, имеет отрицательную полярность. Таким образом, напряжение на нагрузке переменное и имеет прямоуголь­ную форму.

При открытии и закрытии тиристоров ток нагрузки изменяется не скач­кообразно, а плавно (вследствие активно-индуктивного характера на­грузки). При уменьшении до нуля и изменении затем направления ток не может протекать через тиристоры, так как одна их пара закрыта, а для другой он имеет обратное направление. Для прохождения тока нагрузки в схему включены диоды VD1– VD4 в направлении, обратном тиристорам.

Чтобы получить напряжение на выходе инвертора, близкое к синусои­дальному, необходимо последовательно с нагрузкой включить фильтр, отсе­кающий высшие гармоники напряжения.

Контрольные вопросы:

1. Нарисуйте схему однополупериодного выпрямителя и объясните его работу?

2. Каковы недостатки однополупериодного выпрямителя?

3. Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя и объясните его работу.

4. Каковы недостатки двухполупериодного выпрямителя?

5. Нарисуйте мостовую схему выпрямителя и объясните ее работу.

6. Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой и объясните ее работу.

7. Нарисуйте мостовую схему трехфазного выпрямителя и объясните ее работу.

8. Объясните принцип работы сглаживающего фильтра.

9. Нарисуйте схемы наиболее распространенных сглаживающих фильтров.

10. Для чего служит стабилизатор напряжений?

11. Каковы два основных типа стабилизаторов напряжений?

12. Нарисуйте схему простого стабилизатора напряжения на стабилитроне и объясните, как она работает.

13. Нарисуйте схему последовательного стабилизатора и объясните схему ее работы.

14. Нарисуйте схему параллельного стабилизатора и объясните схему ее работы.

15. Что такое инверторы?

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М., 1983.

2. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ 2.728-74, 2.747-68, 2.730-732.785-74.

3. Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. – М., 1976.

4. Усс Л.В., Красько А.С., Климович Г.С. Общая электротехника с основами электроники. – Мн., 1990.

5. Касаткин А. С, Немцов М. В. Курс электротехники. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2005.

6. Электротехника: Учеб. пособие для вузов /Б. А. Волынский, Е. Н. Зейн, В. Е. Шатерников. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

[1] электронно-оптические приборы будут рассматриваться в последующих главах

[2] в настоящей книге не рассматривается