Структура источников 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 требующей 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. Многие отечественные и зарубежные фирмы выпускают источники вторичного электропитания (ИВЭП) в готовом виде, удобном для встраивания в различные изделия. Это, как правило, хорошо отработанные, малогабаритные, высокоэкономичные конструкции с защитами различного вида.

По виду преобразования ИВЭП различают:

– сетевые источники – преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC–DC);

– конверторы – преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DC–DC);

– инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC–AC);

– преобразователи частоты (АС–АС).

Подавляющая часть устройств информационно-вычислитель-ных 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. 2.33, а. Мощный трансформатор Т, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем В 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.

 

Рис. 2.33. Структура вторичных источников питания

 

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 % от 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 «импульсные ИВЭП» (рис. 2.33, б). В этой структуре переменное напряжение первичной сети сначала выпрямляется В1 и фильтруется Ф1, а затем инвертируется в инверторе И в переменное, но с частотой 20...100 кГц. На этой частоте напряжение трансформируется Т до нужного уровня, вновь выпрямляется В2, фильтруется Ф2 и при необходимости стабилизируется Ст. Масса и габариты магнитопровода трансформатора и дросселя обратно пропорциональны частоте переменного тока. Поэтому на высокой частоте происходит резкое уменьшение размеров трансформатора и фильтра Ф2. За счет этого источник получается значительно меньше по массе и габаритам, несмотря на большее число узлов и двойное преобразование вида тока. Промышленные образцы импульсных ИВЭП даны в прил. 3.

 

Выпрямительные устройства

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

  В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.34, 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 _{2ma x} и U ₂ – амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вто +ричной обмотки трансформатора.

 

_б

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение   U _{обр =} U _2max = πU ₀, поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию U _{обр доп} >   πU ₀, а допустимый через диод  ток – условию I _{ср доп} > I₀.

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из четырех диодов, включенных по так называемой мостовой схеме (рис. 2.34, б). Напряжение U ₂ в положительный полупериод открывает диоды VD 1 и VD 3 и от точки А к точке В по цепи   VD – R – VD 3 протекает ток нагрузки I_n = I _1,3. При этом диоды VD 1 и VD 4 заперты. В отрицательный полупериод напряжение U ₂ открывает диоды VD 1 и VD 4 и ток

I_n = I _2,4 течет от точки В к точке A по цепи VD 2 – R – V – D 4, проходя по нагрузке в одном и том же направлении. В этой схеме постоянные составляющие тока I ₀ и напряжения U_o в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

 и

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD 2 в положительный полупериод напряжения U ₂. При открытом диоде VDI 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 _o6р = U _{2 max}, т. е. такое же, как и в однополупериодной схеме. Ток, протекающий через каждый из диодов, I _ср= I _о /2, т.е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пример 3. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (рис. 2.29, б), если не обходимо получить мощность в нагрузке Р_о = 600 Вт и напряжение U_o = 115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Р е ш е н и е. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

U ₂ = U _о / 0,9 =115/0,9 =127 В.

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициен том трансформации К= 220 / 127 = 1,73. Постоянный ток в нагрузке

I ₀ = Р₀/ U ₀ = 600/115 = 5,2 А.

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых I _ср.доп ³ 5,2/2 =2,6 А, а допустимое обратное напряжение

 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 Д, через три диода (рис. 2.35, 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. 2.35, в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке и имеющего значительно меньшие пульсации, чем на схеме рис. 2.34. В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы:

где U _{2 max} и U ₂– амплитудное и действующее значения фазного напряжения, а средний ток через диод I _ср = I ₀/3.

 

В мостовом  трехфазном выпрямителе (рис. 2.35, б) соотношения для чисто активной нагрузки равны

где U_m и U – амплитудное и действующее значения линейного напряжения сети, а средний ток через каждый диод     I _ср = I ₀/3.

Пример 4. Чему равно выпрямленное напряжение мостового трехфазного выпрямителя (рис. 2.29, б), подключенного к сети с линейным напряжением U = 380 В, и на какое обратное напряжение должны быть рассчитаны диоды?

Р е ш е н и е. Постоянное напряжение равно U ₀ =1,35 380 =513 В и диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение

U _обр = U_max =√2 U = √2∙380=537 В.

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.

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя В параллельно нагрузке (рис. 2.36, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 2.36, 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. 2.36, в).

Индуктивное сопротивление X_L = w L _фстремятся сделать значительно больше R _ндля того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной w и выше «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X _L,не достигая нагрузки. Емкостное же сопротивление Х _с= 1/ w С _ф выполняют значительно меньше, чем R _н, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х _сминуя R _н. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, Х _с= ¥, не создает падения напряжения на L _фи не замыкается через С _ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC -фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении. Поэтому в интегральных микросхемах при токах нагрузки в несколько миллиампер используют RC -фильтры (рис. 2.36, г), несмотря на их несколько худшие сглаживающие свойства и меньшие КПД.

 

Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды. Существует три вида стабилизаторов: параметрические, компенсационные и импульсные.

Параметрический стабилизатор напряжения (ПСН) использует элементы (стабилитроны), в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в мощных компенсационных стабилизаторах (рис. 2.37) или для стабилизации напряжения в высокоомных цепях (когда R _н велико).

 

Принцип работы ПСН заключается в поддержании неизменного напряжения на нагрузке U _Н за счет перераспределения токов, протекающих через балластный резистор R _Б и стабилитрон VD. Стабилитрон VD включен встречно, поэтому следует рассматривать его отрицательную ВАХ. Рабочая точка на ней должна находиться в пределах рабочего участка (см. рис. 2.37, б). Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому U _н = U _ст = U _вх – I _ст R _Б. Решением уравнения будет являться точка пересечения ВАХ стабилитрона и нагрузочной характеристики для текущего входного напряжения U _вх. На рис. 2.37 показаны две точки 1 и 2 для двух значений входного напряжения U _вх1 и U _вх2. Если сравнить изменения напряжения на входе D U _вхи выходе D U _ст, то налицо эффект стабилизации выходного напряжения. Очевидно, что входное напряжение должно быть несколько выше выходного. Резистор R _б называют балластным потому, что он «гасит» избыток входного напряжения. При расчете ПСН необходимо следить, чтобы ток стабилитрона находился в пределах I _{ст. min} £ I _ст£ I _{ст. max}. Следует иметь в виду, что стабилизирующие свойства стабилитрона напрямую зависят от его дифференциального сопротивления R _д на участке стабилизации (чем меньше R _д, тем круче наклон характеристики и, следовательно, выше стабилизация).

Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации – отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе:

Для ПСН    

и составляет от нескольких единиц до нескольких десятков.

Недостатками ПСН являются:

- малый КПД (из-за использования балластного резистора и значительного дополнительного тока через стабилитрон);

- малый коэффициент стабилизации K _ст (для его увеличения включают два каскада ПСН);

- невозможность регулирования выходного напряжения;

- низкая термостабильность.

Компенсационный стабилизатор

напряжения (КСН) представляет собой систему автоматического регулирования (рис. 2.38). Он также относится к СН непрерывного действия. Сущность компенсационного метода стабилизации напряжения состоит в том, что в процессе работы с помощью измерительного устройства ИУ осуществляется сравнение выходного напряжения с опорным или эталонным, вырабатываемым источником опорного напряжения ИОН. Разностное напряжение усиливается усилителем У и подается на регулирующий элемент РЭ, сопротивление которого изменяется прямо пропорционально изменению выходного напряжения.

Помимо последовательного включения РЭ используется вариант его параллельного включения с добавлением балластного резистора (как в ПСН, имеем РЭ с регулируемым R _д), но по причине низкого КПД вариант используется редко.

В качестве ИУ часто используется ОУ (он имеет дифференциальный вход и высокий коэффициент усиления напряжения), а в качестве РЭ – транзистор.

Для примера на рис. 2.39 приведена принципиальная схема КСН, который обеспечивает K _сг не менее 1000. Резисторы R 4– R 6 образуют регулируемый делитель выходного напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу ОУ DA 1. На неинвертирующий вход ОУ подается опорное напряжение с ПСН (R 3, VD 2), выполняющего роль ИОН. Цепью R 1, VD 1, R 2 задается необходимый режим РЭ на транзисторе VT 1. На указанную цепь воздействует выходное напряжение У на ОУ. В норме, когда выходное напряжение равно номинальному, на выходе ОУ нулевое напряжение и транзистор VT 1 находится в расчетном активном режиме. При понижении выходного напряжения (по любым причинам) на выходе ОУ появляется отрицательное напряжение, изменяющее режим транзистора в сторону его меньшего сопротивления перехода к–э. Падающее на нем напряжение уменьшается, что ведет к увеличению напряжения на выходе КСН.

В настоящее время выпускаются готовые КСН в интегральном исполнении (ИСН) как с возможностью регулирования, так и с фиксированными значениями выходного напряжения. В качестве примера можно назвать отечественную серию 142 (положительные напряжения) и 1162 (отрицательные напряжения), являющимися аналогами зарубежных ИСН соответственно серий 78хх и 79хх.

На рис. 2.40 приведена типовая схема включения и цоколевка ИСН серии КР142. Конденсаторы С1 и С2 должны иметь емкость не менее 10 мкФ для алюминиевых типов, они предназначены для устранения возможного самовозбуждения ИСН. Корпусы компонентов типизированы. Указанные ИСН выпускают в корпусе ТО220. Отверстие во фланце корпуса предназначено для крепления ИСН на радиатор для отвода тепла.

Не смотря на миниатюрное исполнение, ИСН серии КР142 имеют достаточно высокие параметры и включают защиту от перегрузки и перегрева.

КСН имеют КПД более высокий, чем ПСН, но все равно небольшой из-за потери значительной мощности на РЭ, работающего в активном режиме.

В рассмотренных стабилизаторах напряжения - регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Импульсный стабилизатор напряжения. Очевидно, чтобы поднять КПД необходимо отказаться от активного режима работы регулирующего элемента и перейти в режим ключа, когда РЭ может находиться только в двух состояниях – режимах отсечки и насыщения. В первом режиме ток через РЭ не проходит и потери мощности в нем равны нулю. Во втором режиме РЭ обладает минимально возможным (близким к нулю) сопротивлением, следовательно, потери в нем будут небольшими.

Режим работы СН, когда РЭ работает в активном режиме, называют непрерывным, а когда РЭ работает в режиме ключа – импульсным. Любое устройство в зависимости от режима работы относят к устройствам непрерывного действия или импульсным.

Схема импульсного СН (рис. 2.41) напоминает структуру последовательного КСН. Таким же образом усиливается  дифференциальное напряжение, полученное с помощью измерительного устройства ИУ, которое сравнивает выходное напряжение с опорным.  (формируемом источником опорного напряжения ИОН). Далее усиленное напряжение рассогласования поступает на ШИМ – широтно-импульсный модулятор, который изменяет ширину вырабатываемых генератором Г однополярных прямоугольных импульсов. В свою очередь, электронный ключ ЭК управляется импульсами от генератора: он замкнут на протяжении импульса и разомкнут в паузах между ними. В моменты замкнутого ЭК в нагрузке и индуктивности L протекает нарастающий электрический ток (контур + U _вх – L – нагрузка – 0 V). В моменты, когда ЭК разомкнут, индуктивность является источником энергии, которую она накопила при нарастающем токе. Контур с током образуется благодаря обратно включенному диоду VD (L – нагрузка – VD). Среднее выходное напряжение будет обратно пропорционально скважности импульсов Q = T / t _и, поступающих от Г. Здесь Т – период следования импульсов (в системах с ШИМ является постоянной величиной), t _и – продолжительность импульса.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения импульсного СН падает с ростом частоты генератора Г, поэтому современные стабилизаторы работают на частотах 30…1000 кГц и даже выше.

В настоящее время ШИМ-контроллеры, представляющие систему управления СУ импульсного СН, а иногда и УЭ, изготовляют по интегральной технологии. Поэтому сложные импульсные СН могут оказаться более простыми схемотехнически по сравнению с КСН, если использовать специализированные микросхемы.

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии падение напряжения на транзисторе  очень небольшое, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.

Поскольку регулирование напряжения осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

 

2.4.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

    Преобразователи постоянного напряжения (DC - DC – преобразователи) управляют энергией, поступающей от источника постоянного напряжения (например, аккумулятора), преобразуя это напряжение по величине. Имеются схемы понижающих, повышающих и инвертирующих DC - DC -преобразователей.   Преобразователи понижающего типа имеют напряжение на выходе меньшее, чем на входе. Принцип работы такого преобразователя можно прояснить с помощью схемы (рис. 2.42, а). Транзисторный ключ VT, управляемый схемой СУ подключает дроссель L и нагрузку R  на время импульса t _и к источнику входного напряжения U _вх. При этом ток в дросселе i_L возрастает практически по линейному закону (рис. 2.42, г). За время паузы t _п ток i_L, проходя через нагрузку R и диод VD спадает до i_Lmin  (рис. 2.42, д) в режиме непрерывных токов или до нуля в режиме прерывных токов. В установившемся режиме изменение тока дросселя за один период равно нулю или Δ i_L = 0 (на сколько ток возрастает, на столько же он уменьшается). Следовательно среднее значение напряжения на дросселе за период тоже остается постоянным. Учитывая, что при включенном транзисторе напряжение на дросселе U_L = U _вх – U _вых, а при выключенном U_L = – U _вых, получим (U _вх – U _вых) t_u – U _вых t _п = 0 или U _вых = U _вх t_u /(t_u + t _п)

Изменяя соотношение длительности импульса t_u и паузы t _п, получают на выходе (рис. 2.42, е) среднее значение напряжения U _вых < U _вх. Габариты и масса такого преобразователя уменьшаются при увеличении частоты переключения транзистора, однако при этом увеличиваются потери во всех элементах схемы. Приемлемый компромисс достигается при частотах в сотни килогерц.

    Повышающий DC - DC -преобразователь (рис. 2.42, б) содержит те же элементы, что рассмотренный выше. Однако расположены они иначе. При включении транзистора цепь источника питания замыкается через дроссель накоротко и ток i_L возрастает по линейному закону. В это время заряженный в предыдущих циклах конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки и напряжение на ней уменьшается по экспоненциальному закону.

U вых

    После выключение транзистора ток дросселя i_L замкнется через диод VD и сопротивление нагрузки, подзаряжая при этом конденсатор С.

    Напряжение на дросселе .

    Учитывая, что среднее значение напряжения на дросселе остается неизменным и при включенном транзисторе напряжение на дросселе U_L = U _вх, а при выключенном U _вх – U _вых, получим U _вх t_u + (U _вх – U _вых) t _п = 0. Откуда следует          U _вых = U _вх (t_u + t _п)/ t_u.

    В инвертирующем преобразователе (рис. 2.42, в) при включении транзистора ток источника замыкается через дроссель. При выключении транзистора ток дросселя в соответствии с законом коммутации сохраняет свое значение и замыкается через нагрузку и диод, создавая напряжение на нагрузке противоположное входному напряжению. В установившемся режиме средний ток через дроссель и напряжение на нем остаются неизменными.

Поэтому        U _вх t_u + U _вых t_u = 0 или              U _вых = U _вх t_u / t _п

Изменяя соотношение времени импульса t_u и паузы t _п можно получить повышение или понижение напряжения на выходе преобразователя.

    Рассмотренные преобразователи используются часто как регуляторы напряжений. Хотя инвертирующий преобразователь является более универсальным, применяется он реже двух других, поскольку при прочих равных условиях требует больших значений индуктивности L и емкости С и поэтому имеет большие габариты и массу. Кроме рассмотренных имеется большое число других схем DC – DC -преобразователей. Все они, как правило, дополняются фильтрами на входе и выходе, соответственно, для уменьшения импульсных помех по питанию и уменьшения пульсаций выходного напряжения.