Назначение источников вторичного питания

Источники вторичного питания предназначены для создания напряжений и токов, необходимых для питания радиоэлектронной аппаратуры. Они обеспечивают допустимый уровень переменных составляющих в выходном постоянном напряжении, стабильность выходного напряжения (или тока) при изменении напряжения сети или тока нагрузки, заданную экономичность, устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям выходных зажимов, работоспособность в заданном диапазоне температур.

Функциональная схема источника питания показана на рисунке 1.

Рис. 10.1

Трансформатор Т служит для преобразования переменного напряжения U₁ сети в необходимое напряжение U₂ и для гальванической развязки источника питания от сети. Выпрямитель В, состоящий из выпрямительных диодов, преобразует переменное напряжение U в постоянное пульсирующее напряжение U₃, а сглаживающий фильтр СФ преобразует его в постоянное напряжение U₄ с небольшими пульсациями. Напряжение U4 может быть использовано для питания каскадов аппаратуры, нормально работающих и при пульсациях (например, оконечных каскадов усилителей мощности звуковой частоты). Стабилизатор напряжения СН предназначен для окончательного сглаживания пульсаций, а также создания напряжения U_Rн которое мало зависит от напряжения U₁ сети и тока I_H нагрузки.

Выпрямители

Выпрямители - это устройства, предназначенные для преобразования переменных напряжений (токов) в постоянные напряжения (токи). В схеме однополупериодного выпрямления (рисунок 2 а, б) в течение первого полупериода (полярность напряжения U2, вторичной обмотки трансформатора Т указана без скобок) ток нагрузки Iн проходит по цепи: вывод 1 трансформатора Т, диод VD, резистор Rн, вывод 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения U_RH (рисунок 2 б), а на диоде VD - малое прямое напряжение Uпр (рисунок 2 г). В течение следующего полупериода (полярность напряжения указана в скобках) в цепи нагрузки протекает малый обратный ток Iобр диода VD, максимальное обратное напряжение на котором будет равно амплитуде вторичного напряжения U_2m.

Рис. 10.2

Так как при однополупериодном выпрямлении выходное напряжение один раз за период достигает максимального значения, частота его пульсаций равна частоте сети. Такую схему выпрямления имеют, например, слаботочные высоковольтные выпрямители, служащие для питания анодов электронно-лучевых трубок.

В схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом (рисунок 3 а), временные диаграммы которой показаны на рисунке 3 б, в, г, д, е, в первый полупериод в точке 1 относительно точки 2 действует положительное напряжение, а в точке 3 - отрицательное. Вторичную обмотку трансформатора Т выполняют так, чтобы в точках 1 и 3 были одинаковые, но противофазные относительно точки 2 напряжения. U'₂ и U''₂- Напряжение U'₂ вызывает ток I₁, который протекает по цепи: точка 1, диод VD1, резистор RН, точка 2 (т.е. ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки трансформатора Т). Ток I₁ создает на резисторе R_H падение напряжения U_RH, полярность которого указана, а амплитуда равна амплитуде напряжения U_2m между точками 1 и 2. В течение этого полупериода диод VD2 закрыт напряжением, действующим между точками 1 и 3, максимальное значение которого равно амплитудному значению напряжения на всей вторичной обмотке трансформатора или двойной его амплитуде 2U_2m на ее половине. При этом на проводящем ток в течение всего полупериода диоде VD1 образуется небольшое прямое падение напряжения U.

Рис. 10.3

В следующий полупериод диод VD2 начинает проводить ток по цепи: точка 3, диод VD2, резистор R_H, точка 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения той же полярности, что и в первый полупериод. Диод VD1 в течение второго полупериода закрыт. Таким образом, диоды поочередно проводят ток в нагрузку.

Частота пульсаций выходного напряжения при двухполупериодном выпрямлении равна удвоенной частоте напряжения сети, так как за один период ток нагрузки дважды достигает максимума. Такую схему выпрямления используют в сильноточных низковольтных выпрямителях.

Сглаживающие фильтры

Рис..4

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до необходимого уровня. Оценивают выпрямленное напряжение коэффициентом пульсаций kп – отношением амплитуды первой гармоники U_1m, к среднему выходному напряжению Ucp, т.е.

kп= U_1m/Ucp.

Обычно kп определяют как отношение половины размаха пульсаций ∆U (рисунок 4) к среднему выходному напряжению Ucp, т.e.

(1)

Сглаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглаживания k_сгл, который показывает, во сколько раз коэффициент пульсаций kп_вых на выходе фильтра меньше коэффициента пульсаций kп_вх на его входе, т.е. k_сгл = kп_вх / kп_вых (2)

Индуктивный фильтр

Индуктивный сглаживающий фильтр (рисунок 5 а) представляет собой катушку индуктивности L (дроссель), активное сопротивление которой R_ДP (рисунок 5 б) постоянному току I невелико и значительно меньше сопротивления нагрузки R_Н. Поэтому напряжение на нагрузке U_RH близко по значению постоянной составляющей U₌ входного напряжения Uвх.

Рис. 5

Для переменной составляющей тока I₌ реактивное сопротивление Х_ДР значительно больше сопротивлений Rдр и Rн, поэтому основное падение напряжения, вызванное током I приходится на катушку индуктивности, а на нагрузке переменное напряжение невелико.

Коэффициент сглаживания такого фильтра может быть определен как:

(3)

Для улучшения сглаживания выбирают схему выпрямления с наибольшей частотой пульсаций fп индуктивность катушки L должна быть по возможности большей, а ее активное сопротивление R_ДP – малым.

Индуктивные сглаживающие фильтры применяют в сильноточных выпрямителях.

Мкостной фильтр

Ёмкостной фильтр (рисунок 5.6 а) представляет собой конденсатор Сф, сопротивление которого переменному току значительно меньше сопротивления нагрузки R_H. Поэтому общее сопротивление параллельно включенных конденсатора Сф и нагрузки R_H оказывается значительно меньше сопротивлений диодов и обмотки трансформатора, являющихся внутренним сопротивлением выпрямителя. Падение напряжения, вызываемое переменной составляющей выпрямленного тока, происходит в основном на внутреннем сопротивлении выпрямителя и лишь незначительное переменное напряжение пульсаций выделяется на нагрузке R_H. Сглаживание пульсаций тем лучше, чем больше ёмкость конденсатора Сф и сопротивление нагрузки R_H. Ёмкостные фильтры широко используются в источниках питания.

Рис. 6

 

Индуктивно-ёмкостной фильтр

Индуктивно-ёмкостной (LC) фильтр (рисунок 5.6 б) состоит из катушки индуктивности Lф и конденсатора Сф. Коэффициент сглаживания LC-фильтра определяется:

(4)

LC-фильтры обладают лучшими по сравнению с другими фильтрами параметрами, но громоздки и довольно дороги. Эти фильтры применяют в выпрямителях, предназначенных для питания выходных каскадов мощных передатчиков на электронных лампах, а также в тиристорных выпрямителях, так как тиристоры могут работать только на индуктивную нагрузку и выходят из строя, если первый элемент сглаживающего фильтра - конденсатор.

Резистивно-ёмкостной фильтр

Резистивно-ёмкостной (RC) фильтр (рисунок 6 в) состоит из резистора Rф и конденсатора Сф.

Коэффициент сглаживания RC-фильтра:

(5)

Для увеличения kcгл номиналы резистора Rф и конденсатора Сф должны быть как можно большими, а схема выпрямления иметь наибольшую частоту пульсаций. Однако чрезмерное увеличение сопротивления резистора Rф уменьшает выходное напряжение и КПД фильтра, т.к. на резисторе Rф рассеивается слишком большая мощность, поэтому его сопротивление рассчитывают по формуле:

Rф =(0,15 ÷ 0,5)Rн. (6)

RС-фильтры просты по конструкции, сравнительно дешевы и применяются в маломощных источниках питания, имеющих ток нагрузки несколько десятков миллиампер.