Основные требования и определения

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) – это преобразователи электрической энергии, получающие ее от источников первичного напряжения – сетей переменного или постоянного тока, гальванических элементов, солнечных батарей. Эти устройства преобразуют подводимую энергию по роду тока, значениям тока и напряжения, при необходимости регулируя или стабилизируя их. Общепринято ИВЭП называть источниками питания.

Любая электронная схема – от простых схем на транзисторах до сложнейших микропроцессорных систем требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников питания постоянного тока. Простые нерегулируемые источники питания типа трансформатор – мостовой выпрямитель – фильтр не могут обеспечить необходимой стабильности напряжения, кроме этого, выходное напряжение такого источника пульсирует с частотой 100 Гц.

Для питания аппаратуры используют источники, в состав которых входят, кроме указанных перечисленных элементов, стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы строятся на дискретных элементах или на ИМС. На современном этапе развития электроники разработано и выпускается огромное количество разнообразных, доступных и недорогих ИМС стабилизаторов напряжения с любыми параметрами. В силу этого чаще всего применяются источник питания со стабилизаторами на ИМС. Однако необходимо знать разновидности источников питания, их характеристики и параметры. При таком разнообразии готовых ИМС стабилизаторов напряжения и источников питания задача разработчика состоит в выборе готового устройства по требуемым характеристикам.

На рис. 17.1 приведены две самые распространенные структурные схемы источников питания, получающих энергию от сети 50 Гц 220 В.

Рис.17.1. Структурные схемы источников питания без преобразования (а) и с преобразованием (б)

Источник питания без преобразования (рис. 17.1, а) содержит каскадно-соединенные трансформатор (Т), выпрямитель (В), сглаживающий фильтр (Ф) и стабилизатор (С).

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Обычно трансформатор понижает сетевое напряжение. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения на нагрузке, вызванные изменением напряжения сети и тока нагрузки.

Рассмотренные источники питания раньше использовались наиболее часто, однако в последнее время вместо них чаще используют источники с преобразованием. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования вес и габариты трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются довольно большими. Тем не менее, такие источники используются довольно часто и сейчас. Их достоинство – отсутствие генерации импульсных помех.

В источниках с преобразованием напряжение сети подается непосредственно на выпрямитель В1. На выходе сглаживающего фильтра Ф1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью инвертора И. В качестве активных приборов в инверторе используются биполярные или полевые транзисторы, которые работают в ключевом режиме, когда они открыты (в режиме насыщения) или заперты (в режиме отсечки). Полученное переменное напряжение имеет частоту, значительно превышающую 50 Гц (десятки килогерц). Затем напряжение передается через трансформатор Т, выпрямляется и фильтруется. Так как трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его вес габариты, как и сглаживающего фильтра Ф2 оказываются гораздо меньше, чем в предыдущей схеме. Основная роль трансформатора также состоит в гальванической развязке сети и нагрузки. Инвертор, трансформатор и выпрямитель В2 образуют конвертор – устройство для изменения уровня постоянного напряжения.

Особенностью данной структуры является совмещение в конверторе двух функций. Это согласование уровней напряжения и стабилизация его среднего значения. Для выполнения последней функции выходное напряжение схемы используется в качестве управляющего сигнала для цепи обратной связи.

Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают значительно лучшими технико-экономичес-кими показателями, коэффициентом полезного действия в сравнении с рассмотренными выше источниками без преобразования частоты.

К недостаткам источников с преобразованием можно отнести генерацию импульсных помех, которые могут влиять на электронные схемы. Тщательное экранирование и фильтрация, правильное заземление позволяют уменьшить помехи до приемлемого уровня. Вторым недостатком является гальваническая связь выпрямителя, фильтра и инвертора с сетевым напряжением.

Не зависимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений, источники питания характеризуются рядом параметров. К основным из них относятся следующие.

1. Номинальные уровни входного U_{ВХ НОМ} и выходного U_{ВЫХ НОМ} напряжений. В зависимости от формы эти напряжения являются либо действующими (U_НОМ=U), либо постоянными (U_НОМ=U_СР).

2. Предельные отклонения входного и выходного напряжений, а также токов нагрузки, при которых сохраняется заданная степень стабилизации выходного напряжения, U_{ВХ МАКС}– U_{ВХ МИН}; U_{ВЫХ МАКС}– U_{ВЫХ МИН}; I_{Н МАКС}– I_{Н МИН}, а также соответствующий им диапазон изменения входной мощности Р_{Н МАКС}– Р_{Н МИН}.

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки и входного напряжения

δU_ВЫХ(I_Н)= (ΔU_ВЫХ(I_Н)/ U_{ВЫХ НОМ}) 100;

δU_ВЫХ(U_ВХ)= (ΔU_ВЫХ(U_ВХ)/ U_{ВЫХ НОМ}) 100,

где ΔU_ВЫХ(I_Н) и ΔU_ВЫХ(U_ВХ) – соответственно абсолютные изменения выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки и входного напряжения.

Иногда величину δU_ВЫХ(U_ВХ) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

К_{U СТ} = (ΔU_ВХ / U_{ВХ НОМ}) / (Δ U_ВЫХ / U_{ВЫХ НОМ}).

3. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при постоянном входном напряжении

r_ВЫХ = ΔU_ВЫХ / ΔI_Н.

4. КПД, равный отношению мощности, выделяемой на нагрузке (в номинальном режиме), к мощности, потребляемой от источника входного напряжения:

η = Р_ВЫХ / Р_ВХ.

5. Предельный уровень пульсаций выходного напряжения U_{ПУЛЬСВЫХ}. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций

ε = U_{ПУЛЬС ВЫХ}/ U_{ВЫХ НОМ}.