Источники питания

Источники питания
Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные.
Первичные преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую
• электромеханические генераторы,
•
электрохимические источники,
•
солнечные батареи и фотоэлементы и др.
вторичный источник электропитания применяется для питания электронной аппаратуры,
для которой требуется высокостабильное напряжения с различными номинальными
значениями
Принципы построения вторичных источников питания.
1.
Основная задача - преобразование энергии первичного источника в комплект
выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование
электронного устройства.
2.
могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных
функциональных электронных узлов.
3.
предназначены для формирования необходимых для работы электронных
элементов напряжений с заданными характеристиками.
Обобщенная структура ИВЭП приведена на рисунке
ИВЭП
Внешнее
управление
Источник
первичного
питания
Сигналы
защиты и
коммутации
Устройство
управления
и контроля.
Источник
питания
Устройство
защиты и
коммутации
Электронное
устройство
Классификацию ИВЭП можно осуществить по различным признакам.
В зависимости от вида первичного источника электропитания ИВЭП можно
разделить на две группы: инверторные и конверторные.
Инверторные
Конверторные
По принципу действия ИВЭП можно разделить на трансформаторные и
бестрансформаторные.
В трансформаторных ИВЭП напряжение переменного тока вначале изменяется
по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и
стабилизируется
В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале
выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более
высокой частоты.
По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить на
одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется
отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это
многоканальный ИВЭП с индивидуальной стабилизацией. Если же для
стабилизации всех выходных напряжений используется выходное
напряжение только одного источника (который называется главным или
ведущим), то такие источники называются ИВЭП с групповой стабилизацией.
Все характеристики ИВЭП можно разделить на три группы:
•
•
•
входные,
выходные
эксплуатационные.
К входным характеристикам ИВЭП относят:
• Значение и вид напряжения первичного источника питания,
например, питающей силовой сети или аккумулятора
• Нестабильность питающего напряжения δUc=∆Uc/Uc
• Частоту питающего напряжения и ее нестабильность
• Количество фаз источника переменного напряжения
К выходным характеристика ИВЭП относят:
•
•
•
•
•
Значения выходных напряжений
Нестабильность выходных напряжений δUвых=∆Uвых/Uвых
Ток нагрузки или выходную мощность по каждому каналу
Наличие гальванической изоляции между входом и выходом
Наличие защиты от перегрузки или повышения выходного
напряжения
К эксплуатационным характеристикам относят:
•
•
•
•
•
•
•
Диапазон рабочих температур
Допустимую относительную влажность
Диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы
Допустимые механические нагрузки
Коэффициент полезного действия ИВЭП
Удельную мощность
Надежность
Эффективность работы ИВЭП оценивают его КПД.
Для оценки КПД ИВЭП рассмотрим упрощенную схему, приведенную на рисунке
Рп=Р∑н
Р∑п
ИВЭП
ηп
Рпр
Нагрузка
ηн
Рнр
Рн
Структурные схемы ИВЭП
Структурные схемы ИВЭП можно разделить на 3 группы:
а)нерегулируемые,
трансформа
тор
выпрямитель
фильтр
нагрузка
фильтр
нагрузка
б)регулируемые,
Регулируемый
выпрямитель
трансформа
тор
Устройство
управления
управление
в) стабилизированные.
трансформа
тор
выпрямитель
фильтр
стабилизатор
нагрузка
Типовые источники питания
•
•
•
•
Линейные источники питания
Выпрямители
Стабилизаторы
Импульсные источники питания
Линейные источники питания
Линейные источники питания отличаются предельной простотой и надежностью,
отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности
комплектующих и простота изготовления делает их наиболее
привлекательными для повторения начинающими радиоконструкторами.
Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет
— применение линейных ИВЭП однозначно оправдано в устройствах,
потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных
ИВЭП. Эффективность и рациональность применения линейных ИВЭП
значительно снижается при токах потребления более 1 А.
Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и
практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского
конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому
несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно
достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют
применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они
значительно надежнее импульсных ИВЭП.
Типичный линейный ИВЭП содержит в своем составе: сетевой понижающий
трансформатор, диодный мост с фильтром и стабилизатор, который
преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной
обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное
стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда
ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора. Основным
недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость
резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е.
требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем
предполагаемые для ИВЭП в целом, например, для ИВЭП мощностью 10 Вт
требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.д.). Причиной этого
является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных
ИВЭП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой
мощности. Чем больше разница между входным и выходным напряжением
стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на
регулирующем элементе.
В большинстве случаев радиолюбительского конструирования в качестве
источников питания устройств могут применяться линейные ИВЭП на основе
микросхем линейных стабилизаторов серии К(КР)142. Они обладают очень
хорошими параметрами, имеют встроенные цепи защиты от перегрузок, цепи
термокомпенсации и т.п., легко доступны и просты в применении. Однако
при конструировании линейных ИВЭП большой мощности (25-100 Вт)
требуется более тонкий подход, а именно: применение специальных
трансформаторов с броневыми сердечниками (имеющих больший КДП),
прямое использование только интегральных стабилизаторов невозможно
ввиду недостаточности их мощности, т.е. нужны дополнительные силовые
компоненты и, как следствие, дополнительные цепочки защиты от
перегрузки, перегрева и перенапряжения. Такие ИВЭП выделяют много тепла,
предполагают установку многих компонентов на больших радиаторах и,
соответственно, достаточно габаритны; для достижения высокого
коэффициента стабилизации выходного напряжения требуются специальные
схемные решения.
Выпрямители.
В большинстве источников питания для понижения напряжения сети до требуемой
величины используется трансформатор, а затем с помощью диодной схемы
переменное напряжение выпрямляется для получения постоянного напряжения.
Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении тока в нагрузке при
изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать
как один из типов инверторов напряжения.
СТ
ВБ
УЗиК
ФУ
СН
В состав выпрямителя могут входить: Силовой трансформатор СТ, вентильный
блок ВБ, Фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН.
Трансформатор СТ преобразует значение напряжения сети, обеспечивает
гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество
фаз силовой сети. В импульсных ИВЭП трансформатор обычно отсутствует, т.к.
его роль выполняет высокочастотный инвертор.
Вентильный блок является основным звеном выпрямителя, обеспечивая
однонаправленное протекание тока в нагрузке.
Фильтрующее устройство ФУ используется для снижения пульсаций выходного
напряжения.
Термином управляемые выпрямители будем характеризовать вентильные
устройства, у которых открытое и закрытое состояние нелинейных элементов
зависят как от полярности приложенного напряжения, так и от момента
появления сигнала на управляющем электроде.
В экспериментальной электронике источники питания с регулируемым
выходным напряжением являются очень полезным элементом оборудования.
Простейший способ получить регулируемое выходное напряжение состоит в
использовании потенциометра. Выпрямители этого типа выполняются на
основе терристоров, используемых самостоятельно или в составе схем,
содержащих дополнительные диоды.
Принципиальным отличием этой схемы является включение в нее регулируемого
вентильного блока и устройства управления, управляемого напряжением
сети. В данной схеме пульсации напряжения на нагрузке достаточно большие,
поэтому необходимо ввести сглаживающий фильтр.
Термином управляемые выпрямители будем характеризовать вентильные устройства, у
которых открытое и закрытое состояние нелинейных элементов зависят как от
полярности приложенного напряжения, так и от момента появления сигнала на
управляющем электроде.
В экспериментальной электронике источники питания с регулируемым выходным
напряжением являются очень полезным элементом оборудования. Простейший способ
получить регулируемое выходное напряжение состоит в использовании
потенциометра. Выпрямители этого типа выполняются на основе терристоров,
используемых самостоятельно или в составе схем, содержащих дополнительные
диоды.
Принципиальным отличием этой схемы является включение в нее регулируемого
вентильного блока и устройства управления, управляемого напряжением сети. В
данной схеме пульсации напряжения на нагрузке достаточно большие, поэтому
необходимо ввести сглаживающий фильтр.
Так же как выпрямители на диодах, управляемые выпрямители позволяют реализовать
схемы однополупериодного и двухполупериодного регулируемого выпрямления. От
неуправляемых схем выпрямителей управляемые отличаются тем, что для открывания
нелинейного элемента, с помощью которого осуществляется выпрямление,
необходимо, кроме наличия на нем прямого напряжения, подать на управляющий
электрод электрический сигнал. Он может быть постоянным или иметь форму
импульса. Изменяя момент подачи управляющего сигнала, можно изменить значение
средневыпрямленного напряжения.
Стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором называют устройство,
поддерживающее с определенной точностью
неизменным напряжение на нагрузке
По принципу работы стабилизаторы делят на
параметрические и компенсационные. В свою
очередь параметрические делятся на
однокаскадные, многокаскадные и мостовые.
Компенсационные могут быть с непрерывным
или импульсным регулированием. И те и другие
могут быть последовательного или параллельного
типа.
По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на
маломощные, средней мощности и большой мощности.
Маломощные используются в измерительной технике, аналогоцифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы
средней мощности используются для питания малых ЭВМ и
маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы
используются для питания лазерных установок, электронных
микроскопов и т.д
Параметрический стабилизатор.
Стабилизация осуществляется за счет свойств нелинейного элемента. Их
применяют в случаях, когда необходимо получить высокостабильное
напряжение, при этом допустимо, что в сопротивления нагрузки
может быть рассеяна малая электрическая мощность. В большинстве
случаев параметрические стабилизаторы используются при создании
источника опорного напряжения ИОН, входящих в состав
непрерывных и импульсных стабилизаторов напряжения. В качестве
нелинейного элемента, обеспечивающего стабилизацию выходного
напряжения, обычно применяют полупроводниковые стабилитроны.
Простейшие (т.н. параметрические) стабилизаторы основаны на
использовании особенностей вольтамперных характеристик
некоторых полупроводниковых приборов — в основном,
стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление.
невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы
применяются только при малых нагрузках, обычно — как элементы
схем (например, в качестве источников опорного напряжения).
Импульсные источники питания.
В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего
нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе,
импульсные ИП используют иные методы и физические явления для
генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления
энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной
трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное
напряжение
Важным технологическим преимуществом импульсных ИВЭП является
возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИВЭП с
гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной
аппаратуры. Такие ИВЭП строятся без применения громоздкого
низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного
преобразователя.
К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня
импульсных шумов на выходе, высокую сложность и низкую надежность
(особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения
дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в
случае малейшей неисправности легко выходят из строя все одновременно.