Структура и основные параметры

Источники вторичного электропитания (ИВП) — это электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электроэнергию, значения частоты, уровня и стабильности которой удовлетворяют требованиям для конкретного электронного изделия. В качестве первичного источника обычно выступает промышленная осветительная сеть переменного тока, или автономные источники переменного или постоянного тока (генераторы, аккумуляторы и т. п.). Возможность использования этих источников непосредственно для питания электронного устройства в большинстве случаев отсутствует, т. к. первичные устройства обычно не удовлетворяют требования по уровню, частоте или стабильности питающего напряжения для современных микроэлектронных устройств.

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков: устройства согласования частоты, устройства согласования уровня и устройства обеспечения стабильности напряжения. Устройства согласования частоты подразделяются на два основных класса: выпрямители — устройства для преобразования напряжения переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую, и инверторы — преобразователи постоянного напряжения в переменное заданной формы и частоты. Ранее рассмотренное устройство — генератор сигналов, также можно считать инвертором и использовать в схемах ИВП.

Устройства согласования уровня напряжения предназначены для преобразования как переменного, так и постоянного напряжения одного уровня в соответствующее напряжение другого уровня. В качестве приборов, преобразующих уровни переменного напряжения, обычно выступают трансформаторы. Уменьшать уровень постоянного напряжения можно при помощи разного рода делителей, как это было рассмотрено при описании источников напряжения.

Устройства обеспечения стабильности напряжения делят на два основных класса: сглаживающие фильтры — устройства для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения (тока), и стабилизаторы — устройства для стабилизации среднего значения выходного напряжения, тока или мощности.

В общем случае ИВП представляет собой соединение трех рассмотренных блоков, как показано на рис. 120.

Рис. 120

Не зависимо от структуры и схемотехнического построения, ИВП характеризуются рядом электрических параметров, основные из которых приведены ниже.

· Номинальные уровни входного и выходного напряжений. В зависимости от формы эти напряжения могут быть или действующими или постоянными.

· Предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений. Эти отклонения часто называют относительными изменениями или коэффициентами нестабильности:

· Диапазон изменения выходной мощности. Иногда задается диапазон изменения выходного тока.

· Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного и выходного напряжений. Часто эти величины задают через коэффициент пульсаций , где — амплитуда основной гармоники переменной составляющей пульсирующего напряжения.

· Коэффициент сглаживания

(21)

отражает способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения.

Рассмотрим некоторые типовые функциональные блоки ИВП.

5.2. Выпрямители

Основными параметрами выпрямителей являются следующие величины.

· Среднее значение выходного напряжения .

· Среднее значение выходного тока .

· Коэффициент пульсаций выходного напряжения .

В настоящее время выпрямители строятся с использованием полупроводниковых диодов. Функционирование выпрямителя как устройства согласования частоты основано на вентильном свойстве диода. На рис. 121,а показана схема однофазного однополупериодного выпрямителя — простейшего из семейства выпрямителей. Пусть входное напряжение изменяется по гармоническому закону: . На интервале полупроводниковый диод смещен в прямом направлении и напряжение (и ток) на нагрузочном резисторе повторяет форму входного (рис. 121,б). На интервале диод смещен в обратном направлении и напряжение (и ток) на нагрузке практически равны нулю.

а)	б)
Рис. 121	л22р2

При заданном гармоническом входном напряжении выпрямленный ток создаст на нагрузочном резисторе напряжение, среднее значение которого равно

.

Используя соотношение, связывающее амплитудное и действующее значения (для гармонического сигнала!), получим:

,

где — действующее значение входного напряжения.

Считая, что амплитуда выпрямленного тока связана с амплитудой выходного напряжения соотношением , для среднего тока в нагрузке можно записать следующее выражение: .

Максимальное обратное напряжение на диоде . Ток через диод (и через нагрузку) протекает только в течение одного полупериода, его действующее значение определяется следующим выражением:

.

(22)

Разложив выходное напряжение в ряд Фурье, можно определить амплитуду первой гармоники выходного напряжения: ,что позволяет определить коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды этой гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения: .

Анализируя диаграммы на рис. 121,б, можно прийти к выводу, что параметры выходного напряжения можно улучшить, если обеспечить протекание выпрямленного тока через нагрузку во время обоих полупериодов входного напряжения. Наиболее просто этого достичь при использовании двух схем однополупериодных выпрямителей, работающих синхронно и противофазно на одну нагрузку. Реализация данной идеи потребует наличия двух источников входных напряжений, имеющих общую точку и противофазные сигналы. Полученная схема называется схемой двухполупериодного выпрямителя и показана на рис. 122,а.

а)	б)
Рис. 122	л22р3

На рис. 122,б показаны временные диаграммы входного напряжения и напряжения на нагрузке.

В случае двухполупериодного выпрямителя имеем следующие зависимости для средних значений напряжения и тока нагрузки:

В спектре выходного напряжения появится напряжение с частотой, вдвое превышающей частоту входного сигнала, которое и будет основной гармоникой выходного сигнала. Амплитуда этого напряжения равна , а коэффициент пульсаций равен .

Ток, текущий через каждый диод, определяется выражением (22). Напряжение, прикладываемое к диоду при смещении его в обратном направлении, равно .

Эффективность двухполупериодного выпрямителя существенно выше, чем однополупериодного, что определило его более широкое использование. Однако рассмотренная схема двухполупериодного выпрямителя имеет следующие недостатки:

· необходимость двух источников питания;

· высокое значение обратного напряжения, прикладываемого к диодам.

Исправить отмеченные недостатки в некоторой степени позволяет введение в схему выпрямителя еще двух диодов, как это показано на рис. 123,а. В данной схеме напряжение прикладывается к нагрузке в каждом полупериоде входного напряжения. Напряжение, прикладываемое к обратносмещенному диоду, вдвое меньше, чем в схеме на рис. 122,а.

а)	б)
Рис. 123	л22р4

Схема на рис. 123,а носит название однофазного мостового выпрямителя, его основные параметры совпадают с параметрами двухполупериодного выпрямителя. Следует отметить, что двухполупериодный выпрямитель целесообразно использовать при невысоких значениях амплитуды входного напряжения, т. к. недостатки этой схемы при этом существенной роли не играют, а КПД данной схемы по сравнению с мостовой схемой выше. Последнее объясняется тем, что в двухполупериодном выпрямителе ток течет в каждый момент времени только через один диод, соответственно имеет место падение напряжение только на одном диоде. В случае мостовой схемы имеет место падение напряжение на двух диодах, что снижает КПД.

Однако с ростом амплитуды входного напряжения определяющими могут стать обратные напряжения, прикладываемые к диодам, а в мостовой схеме они вдвое меньше. Относительное уменьшение выходного напряжения из-за падения на диодах будет в этом случае меньше. Поэтому при высоких напряжениях целесообразно использовать мостовой выпрямитель.

Если мостовую схему подключить к двум источникам напряжения, имеющим общую точку и синфазное напряжение (рис. 123,б), то можно получить два выпрямленных напряжения, равных по величине, но обратных по знаку.

Дата добавления: 2015-07-14