Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВП) — электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания (промышленной сети переменного тока, либо автономных источников переменного или постоянного тока) в электрическую энергию, значения частоты, уровня и стабильности которой согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим параметрам конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.

Современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем (ИС), требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (как правило, ±5... ±15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ± (5...10)%. В ряде случаев, например, при питании прецизионных аналоговых устройств или АЦП и ЦАП, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1...0,01%).

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых, как правило, может быть разбито на три основные группы: устройства согласования уровня, частоты и стабильности напряжения (рис.1.1,а) [ 2 ].

Рис.1.1. Структурные схемы ИВП: а) обобщенная схема, б) схема с входным низкочастотным преобразователем

На рис.1.1, б приведена структурная схема, предназначенная для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение. Она содержит каскадное соединение трансформатора (TV), осуществляющего функцию согласования уровней напряжения; выпрямителя (В), преобразующего напряжение переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение); сглаживающего фильтра (Ф), предназначенного для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения; стабилизатора (Ст), стабилизирующего среднее значение выходного напряжения. ИВП характеризуется рядом электрических параметров:

1) номинальными уровнями входного U_{вх ном} и выходного U_{вых ном} напряжений;

2) предельными отклонениями входного и выходного напряжений от номинальных значений (относительные изменения dU_вх и dU_вых).

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки – dU_вых(I_н)и напряжения питания – dU_вых(U_вх).

Иногда величину dU_вых(U_вх) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

;

3) диапазоном изменения выходной мощности P_Hmax – P_Hmin. Иногда этот диапазон задается значениями максимального I_выхmax и минимального I_выхmin токов нагрузки;

4) Предельным уровнем амплитуды переменной составляющей входного U_mвх и выходного U_mвых напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций

К_п= U_mi/ U_ном ,

где U_mi – напряжение первой гармоники, U_ном – постоянная составляющая.

Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания

К_сгл = К_Пвх / К_Пвых.

В качестве выпрямительных устройств могут использоваться:

1) однофазные однополупериодные выпрямители (К_п = 1.57);

2) однофазные двухполупериодные выпрямители (К_п = 0.67) (рис.1.2);

3) трехфазные однополупериодные выпрямители (К_п = 0.25);

4)
трехфазные двухполупериодные выпрямители (схема Ларионова, К_п » 0.057).

Рис. 1.2. Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей: а) со средней точкой; б) мостовая схема с одним выходным напряжением; в) мостовая схема с двумя выходными напряжениями для питания устройств с применением ОУ

Рис. 1.3. Схемы сглаживающих фильтров: а) емкостной; б) индуктивный; в) индуктивно-емкостной (Г-образный); г) комбинированный (П-образный)

Для стабилизации среднего значения выходного напряжения ИВП при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки применяются стабилизаторы. Существующие стабилизаторы могут быть разделены на два класса: параметрические (К_Uст = 10 ¸ 30) и компенсационные (К_Uст до 1000 и более).

Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента – стабилитрона (рис.1.4).

Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно. Входное напряжение распределяется между балластным резистором R_б и стабилитроном

U_вх = U_Rб + U_ст,

где U_Rб = (I_ст + I_Н)R_б.

Так как напряжение на стабилитроне U_ст в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от I_{ст min} до I_{ст max}, то приращение входного напряжения DU_вх равно приращению напряжения DU_Rб. Если ток нагрузки I_н = U_н / R_н = U_ст / R_н остается при этом неизменным, то

DU_вх = DU_Rб = D I_ст R_б,

т.е. при изменении входного напряжения на значение DU_вх ток стабилитрона изменяется на значение DU_вх / R_б.

Рис. 1.4. Схема параметрического стабилизатора на стабилитроне (а) и графическая интерпретация ее работы (б)

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

коэффициент стабилизации

,

коэффициент полезного действия

.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона R _D на рабочем участке вольтамперной характеристики:

.

Для повышения К_ст (К_ст > 50) можно применять каскадное включение параметрических стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками — невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение К_ст, особенно при больших токах нагрузки (I_Н > I_{ст ном}).

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, являющихся замкнутой системой автоматического регулирования, в которой коэффициент передачи звена, включенного в цепь передачи электрической величины, зависит от разности входного и некоторого эталонного сигнала. В зависимости от места включения такого звена все стабилизаторы подразделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

Принцип работы компенсационных стабилизаторов основан на использовании цепи ООС. Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) содержит измерительный элемент (ИЭ), элемент сравнения и источник эталонного напряжения U_эт (рис.1.5.). Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки U_ош = U_эт – U_из – управ ляет коэффициентом передачи РЭ.

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме (рис.1.6). В ключевых компенсационных стабилизаторах роль РЭ выполняют импульсные усилители мощности, кпд таких схем значительно выше. Широкое распространение получили интегральные стабилизаторы, такие микросхемы как К142ЕН, К181ЕН, К275ЕН (максимальный ток нагрузки 150 МА), а также К403ЕН (ток нагрузки до 2А). Более подробные сведения о микросхемах интегральных стабилизаторов приведены в [ 3 ].