8 Вторичные источники электропитания

Вторичные источники электропитания служат для обеспечения электронных устройств энергией, отличающиеся по типу напряжения (постоянное или переменное), значению его амплитуды и знака. В свою очередь вторичные источники питаются, как правило, от сети переменного тока, реже от аккумуляторной батареи. От качества (надежности) вторичных источников зависят параметры работы практически всех электронных элементов и устройств. В технической литературе термин «вторичный источник электропитания» и «источник питания» часто являются синонимами.

На рисунке 8.1 приведена схема, согласно которой все источники питания (ИП) можно разделить на: трансформаторные, инверторные, управляемые выпрямители (на основе тиристоров).

Рисунок 8.1 - Классификация источников вторичного электропитания

Первые ИП электронной аппаратуры строились на базе трансформаторных (см. рисунок 8.2).

Рисунок 8.2 - Функциональная схема трансформаторных блоков питания

Трансформатор выполняет функции гальванического разделения силовой сети и цепей питания электроники, а также преобразователя амплитуды (за счет изменения коэффициента трансформации легко получить напряжение питания заданного значения).

Роль выпрямителя сводится к преобразованию переменного напряжения в постоянное, пульсирующее. На выходе выпрямителя размещают фильтр низкой частоты (ФНЧ), являющийся непреодолимой преградой для переменной составляющей, но пропускающий постоянное напряжение, которое через стабилизатор питает электронную аппаратуру. Необходимость стабилизатора объясняется нестабильностью напряжения силовой сети (до 10%) и непостоянством отбора мощности от источника питания (любой источник питания обладает конечной величиной внутреннего сопротивления).

Трансформаторные источники сравнительно просты по конструкции, не требуют высокой квалификации при настройке, обслуживании и ремонте. Однако низкая частота (50 Гц) определяет существенные геометрические характеристики и вес, что ограничивает их использование в современной аппаратуре, хотя для работы в простейших устройствах они находят применение и сегодня.

Инверторные блоки питания (см. рисунок 8.3) в сравнении с трансформаторными обладают гораздо меньшими габаритами и массой, имеют более высокий КПД и значительно богаче по функциональным возможностям.

Рисунок 8.2 - Функциональная схема инверторных блоков питания

В состав инверторного источника в обязательном порядке входит инвертор, основное назначение которого преобразовать постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой величины и знака.

В практике используют два вида канала инвертирования. В первом, выпрямленное сетевое напряжение посредством релаксационного автогенератора преобразуется в переменное, частотой порядка 10 кГц, которое затем повторно трансформируется, выпрямляется, фильтруется, стабилизируется и поступает на выход. Подобная схема имеет преимущество перед классической (трансформаторной) в параметрах высокочастотного трансформатора – он меньше размерами и легче, хотя более сложен в изготовлении особенно с кольцевыми ферритовыми сердечниками.

Разновидностью автогенераторного инвертора является инвертор с управляемым автогенератором. В этом случае за счет обратной связи по напряжению нагрузки изменяются параметры релаксационных колебаний на выходе генератора (частота или скважность). Структурная схема с обратной связью совмещает функцию преобразователя и стабилизатора, что позволяет исключить последний из состава источника питания. Автогенераторные инверторы дают возможность получать различные выходные напряжения, однако являются более сложными, в основном, за счет изготовления многообмоточного высокочастотного трансформатора.

Второй тип инверторного источника питания не содержит автогенератора и относится к так называемым ШИМ стабилизаторам. В его структуре выпрямленное и сглаженное напряжение силовой сети или напряжение аккумулятора поступает на коммутирующий элемент (чаще всего мощный биполярный транзистор), работающий поочередно в режиме токовой отсечки и насыщения. При открытом транзисторе на его выходе оказывается все напряжение источника, при закрытом (режим токовой отсечки) – ноль. В зависимости от соотношения времени открытого и закрытого состояния транзистора постоянная составляющая напряжения на нагрузке может меняться.

Управляемые выпрямители строятся на основе элементов, объединяющих в себе две функции: выпрямителя и регулятора напряжения. В качестве основных силовых элементов используют в этом случае управляемые тиристоры и транзисторы (последние реже). Функциональная схема подобного ИП приведена на рисунке 8.3 и содержит непосредственно блок выпрямления переменного напряжения силовой сети (УВ), фильтр низких частот Ф1, обратную связь по напряжению на нагрузке, управляющую работой выпрямительного модуля.

Рисунок 8.3 - Функциональная схема ИП на основе управляемого выпрямителя

К основным техническим характеристикам ИП относятся:

- номинальная мощность ИП;

- номинальные уровни напряжения как входного U_{ВХ НОМ}, так и выходного U_{ВЫХ НОМ};

- диапазон изменения (допустимый) выходного (входного) напряжения U_МИН < U_ВЫХ < U_МАКС, иногда этот параметр задается в виде коэффициента нестабильности напряжения:

В некоторых случаях величина задается через коэффициент стабилизации выходного напряжения:

- номинальный (максимальный) ток нагрузки;

- предельный уровень пульсации выходного напряжения, иногда этот параметр указывается в виде коэффициента пульсации:

,

где U_m1 – амплитуда основной гармоники в переменной составляющей выходного напряжения.

Классификация, принципы работы, достоинства и недостатки выпрямительных устройств рассмотрены в разделе 1.2 «Полупроводниковый диод» .

Фильтрующие элементы ИП частично нашли отражение при рассмотрении материала «Активные фильтры на ОУ» и более подробно должны быть изучены в курсе электротехники.

По понятным причинам в ИП используются пассивные фильтры низких частот, основное назначение которых выделить постоянную (пропустить в нагрузку) и задержать (зашунтировать) переменную составляющие.

С точки зрения классификации в ИП применяют всевозможные типы фильтров (см. рисунок 8.4), название которых характеризует их конструктивные особенности: Г - образные, П – образные, LC, RC, C – фильтры. Последние фильтры, как наиболее простые используются чаще других.

Рисунок 8.4 - Типы пассивных фильтров ИП