План лекции
1. Структурная схема источника линейного источника питания и назначение его узлов.
2. Принцип работы выпрямителей.
3. Принцип работы сглаживающих фильтров.
4. Понятие отрицательной обратной связи (ООС).
5. Назначение и структурная схема компенсационного стабилизатора.
6. Структурная схема и принцип работы импульсного источника питания.
1. Структурная схема источника линейного источника питания и назначение его узлов.
Источники питания электронной аппаратуры предназначены для поддержания стабильной величины выходного питающего напряжения при всех штатных режимах работы устройства (то есть по всем диапазоне токов нагрузки).
Структурная схема линейного источника питания состоит из следующих узлов: понижающего трансформатора; выпрямителя; сглаживающего фильтра и компенсационного стабилизатора.
Трансформатор (Z1) обеспечивает понижение входного напряжения сети 220 В / 50 Гц для обеспечения работы устройства, требующего, как правило, более низких значений напряжений.
Принцип его работы основан на известном законе Фарадея, объясняющем возможность передать электрическую энергию переменного тока посредством магнитного поля сердечника.
Выпрямитель (Z2) представляет собой силовое электронное устройство, преобразующее синусоидальное напряжение в пульсирующее, которое имеет некоторую постоянную составляющую U0, необходимую для получения постоянного напряжения. Кроме того, в пульсирующем напряжении присутствует переменная составляющая U~, которая не может быть использована для питания аппаратуры.
Принцип работы выпрямителя основан на работе полупроводникового диода, который резко изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от полярности приложенного напряжения.
Сглаживающий фильтр (Z3) пропускает, практически без потерь, постоянную составляющую входного напряжения U0, и при этом максимально подавляет переменную составляющую U~, не пропуская ее на вход стабилизатора.
Принцип работы сглаживающего фильтра основан на свойстве конденсатора и катушки индуктивности изменять свои сопротивления в зависимости от частоты переменного тока. Поэтому, соединяя их в определенные схемы, можно добиться практически полного подавления переменной составляющей напряжения U~.
Компенсационный стабилизатор (А1) поддерживает напряжение на выходе источника питания при действии на него трех дестабилизирующих факторов: нестабильности напряжения сети 
; изменений тока нагрузки 
и нестабильности температуры окружающей среды 
.
Принцип действия компенсационного стабилизатора основан на принципе отрицательной обратной связи (ООС), которая позволяет скомпенсировать плавные (штатные) отклонения всех этих величин, возвращая их к своим номинальным значениям.
2. Принцип работы выпрямителей
Как уже было сказано, принцип работы выпрямителей основан на уникальном свойстве вольтамперной характеристике (ВАХ) полупроводникового диода, которая позволяет добиться у него в практических схемах односторонней проводимости.
Как видно из ВАХ диода, когда он находится на начальном участке (обратная ветвь с отрицательным напряжением не показана), его сопротивление очень мало и ток через него не течет. Такое состояние называют закрытым диодом. Напротив, с ростом напряжения, сопротивление диода резко снижается и ток через него неограниченно возрастает. Такое состояние называют открытым диодом.
Схема выпрямителя представляет собой полупроводниковый диод, подключенный к источнику переменного напряжения U~ и нагрузке.
Проанализируем его работу, разбив входное синусоидальное напряжение на два полупериода (I, II). При этом, на первом полупериоде потенциал точки А выше, чем в точке В и диод открыт, а на втором полупериоде он выше в точке В и диод закрыт.
По 2-му закону Кирхгофа, сумма напряжений на диоде и нагрузке всегда равна мгновенному значению входного напряжения
|
Тогда для 1-го полупериода можно записать
|
). Значит, в течение 1-го полупериода все напряжение источника приложено к нагрузке.
Для 2-го полупериода можно записать
поскольку диод закрыт, его сопротивление велико, а значит, согласно закону Ома, будет большим и падение напряжения на нем ( 
). Значит, в течение 2-го полупериода все напряжение источника приложено к нагрузке.
Правильность этих рассуждений иллюстрирует временная зависимость выходного пульсирующего напряжения выпрямителя. Видно, что из двух полупериодов лишь один является рабочим, а во время другого выпрямитель не дает энергии в нагрузку. По этой причине рассмотренная схема называется однополупериодной и обладает невысоким качеством выпрямления.
Параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций, показывающий, во сколько раз переменная составляющая пульсирующего напряжения меньше постоянной
При этом переменная составляющая отображается амплитудой основной гармоники пульсирующего напряжения, поскольку все остальные (более высшие) гармоники будут подавлены сглаживающим фильтром.
Для однополупериодного выпрямителя 
, а для двухполупериодного 
, что подтверждает лучшее качество двухполупериодных выпрямителей.
3. Принцип работы сглаживающих фильтров
Особенностью сглаживающего фильтра является то, что на него одновременно подаются постоянная составляющая напряжения U0 и переменная составляющая U~, что можно смоделировать включением в цепь двух источников напряжения: постоянного и переменного.
Для примера рассмотрим работу сглаживающего RC- фильтра.
Его работу можно пояснить следующим образом. Для нормальной работы такого фильтра нужно, чтобы для сглаживающего конденсатора Cф и сопротивления нагрузки выполнялось условие
То есть, емкостное сопротивление конденсатора Сф должно быть намного меньше сопротивления нагрузки.
Тогда для цепи постоянного тока сглаживающий конденсатор Сф будет обрывом, и постоянная составляющая тока I0 через него течь не будет. Значит, весь ток I0 будет протекать в нагрузку, создавая на ней падение напряжения, равное
На практике величина сопротивления Rф мала, по сравнению с Rн, поэтому можно считать, что в нагрузку попадает практически все напряжение U0.
Для переменной составляющей напряжения U~ будет наблюдаться обратная картина. Поскольку емкостное сопротивление XСф мало, по сравнению с Rн, то переменная составляющая тока I~ через нагрузку практически не течет, и замыкается по цепи Rф, Сф. Это значит, что напряжение на нагрузке будет определяться, в значительной мере, постоянной составляющей U0, создавая в нагрузке постоянное напряжение.
Важным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания, равный
Из определения следует, что чем меньше величина коэффициента пульсаций на выходе фильтра, тем больше значение коэффициента сглаживания. Для практических сглаживающих фильтров это значение достигает значений 300 – 500.
Коэффициент пульсаций рассмотренного RC- фильтра равен
Из этой формулы видно, что для повышения его величины следует повысить значение fп частоты пульсаций, либо емкость сглаживающего конденсатора Сф, либо снизить величину тока нагрузки.
На практике повышение частоты fп невозможно, поскольку она зависит от частоты питающего напряжения и схемы выпрямления; повышение емкости конденсатора Сф также затруднено вследствие увеличения его габаритов. По этой причине данный фильтр работает эффективно только на небольших токах нагрузки (до 0,5 А).
4. Понятие отрицательной обратной связи (ООС).
Отрицательной обратной связью (ООС) называют процесс передачи части выходного напряжения (или тока) обратно на вход, в противофазе с выходным.
Структурная схема поясняет принцип работы ООС. Пусть, по какой-то причине напряжение на выходе увеличилось и стало равным Uвых + Δ Uвых. Тогда напряжение на выходе цепи обратной связи будет – β(Uвых + Δ Uвых), а при их сложении на входе оно станет равным Uвх – β(Uвых + Δ Uвых).
Тогда на выходе напряжение станет равным
Видно, что в итоге выходное напряжение уменьшилось на некую величину
 |
Это означает, что система с ООС способна к саморегулированию в условиях внешних дестабилизирующих факторов, что является ее уникальным свойством, широко используемым в практических электронных устройствах.
Однако наряду с этим, ООС имеет недостаток, который состоит в том, что возмущенный на входе сигнал сначала должен пройти через само устройство, чтобы затем быть отрегулированным. Если предположить, что в какой-то момент времени напряжение на входе устройства вышло за допустимые пределы Umin…Umax, то такая ситуация может повлечь за собой выход из строя самого устройства, или составляющих его блоков и узлов.
По этой причине, ООС успешно работает лишь при небольших (штатных) отклонениях напряжения от номинальной величины, а для больших (внештатных) отклонений на вход следует включить пороговое устройство, не допускающее подобных отклонений.
Применительно к электронному стабилизатору это означает необходимость некоторых дополнительных устройств, называемых устройствами защиты, срабатывающими в случае перенапряжений или недопустимых токовых перегрузок.
Коэффициент обратной связи в случае ООС рассчитывается по формуле
Коэффициент β обычно принимает значения порядка 0,05 – 0,1 и лишь в специальных схемах может достигать единицы. Часто коэффициент β делают частотно зависимым, что позволяет создавать цепи частотной коррекции, или различные схемы электрических фильтров.
5. Назначение и структурная схема компенсационного стабилизатора.
Как уже говорилось, в основу работы компенсационного стабилизатора положен принцип отрицательной обратной связи. Напряжение с выхода поступает на цепь ООС (Z1), где оно делится и затем поступает на один из входов усилителя ошибки (А1). Цепь ООС, как правило, реализуют с помощью делителя напряжений – двух или более резисторов, включенных последовательно, причем выходное напряжение снимается лишь с одного из них, поэтому коэффициент передачи такой цепи всегда меньше единицы.
 |
На другой его вход поступает эталонное (неизменное) напряжение с источника опорного напряжения (ИОН) Z2, роль которого выполняет параметрический стабилизатор – устройство, работа которого основана на свойстве вольтамперной характеристики стабилитрона. Работая на малых токах, он позволяет удерживать на выходе стабильное напряжение, независимо от внешних дестабилизирующих факторов.
Усилитель ошибки складывает эти напряжения (фактически вычитает, поскольку напряжение с цепи ООС выходит инвертированным) и формирует управляющее напряжение для регулирующего элемента (РЭ) А2.
Регулирующий элемент представляет собой усилитель тока и предназначен для регулирования тока, поступающего в нагрузку. При этом величина этого тока определяется отклонением выходного напряжения от своей номинальной величины в данный момент времени.
Важным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации, заданный формулой
Согласно формуле, коэффициент стабилизации равен отношению относительных отклонений величин выходного и входного напряжений. Так, например, если при напряжении сети 220 В возможно отклонение на ± 22 В, а при этом напряжение на выходе Uвых = 9 В отклоняется на ± 9 мВ, то коэффициент стабилизации равен
В современной электронике чаще всего применяются микросхемы стабилизаторов. Они компактны, выдерживают достаточно большие токи нагрузки и обладают высокими значениями коэффициентов стабилизации порядка 300 – 500.
Достоинствами линейного источника питания является его простота и надежность. К недостаткам следует отнести невысокий КПД (не более 50 %), и значительные масс-габариты.
Невысокий КПД связан с режимом работы силовых транзисторных каскадов и не может быть повышен для данного типа источника питания.
Значительные масс-габариты трансформатора связаны с низкой частотой питающей сети (50 Гц), при которой, согласно формуле «4,44»
при фиксированной величине входного напряжения U1, величина необходимого магнитного потока тем меньше, чем выше частота входного напряжения. Поэтому низкую частоту сети приходится компенсировать массой магнитного сердечника.
Вследствие перечисленных факторов, линейный источник питания оправданно использовать лишь при сравнительно небольших токах нагрузки (не более 1 А). Если же нагрузка требует более высоких токов, то более разумным является применение импульсных источников питания, лишенных перечисленных недостатков.
6. Структурная схема и принцип работы импульсного источника питания.
Как известно, в импульсном режиме работы передача энергии может осуществляться с высоким КПД, поскольку в этом случае на выходном переходе транзистора мощность практически не выделяется. Это свойство импульсного режима позволяет проектировать источники питания с гораздо большим КПД, обладающие, правда, другими недостатками.
На следующей структурной схеме приведен пример импульсного источника питания с линейным стабилизатором. Такая схема сочетает в себе одновременно малые габариты и повышенный КПД импульсного источника и сравнительную простоту линейной схемы.
Как видно из схемы, данный источник не содержит сетевого трансформатора, а входное синусоидальное напряжение 220 В / 50 Гц поступает сразу на выпрямитель Z1, а затем на сглаживающий фильтр Z2. Такое решение позволяет существенно снизить масс-габариты трансформатора Z3, работа которого может происходить на гораздо более высоких частотах (порядка десятков килогерц).
Блок А1 – блокинг-генератор, или генератор импульсов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию импульсов различной формы. В основу его работы положена положительная обратная связь (ПОС), благодаря которой в нем происходят циклические процессы заряда и разряда конденсаторов (или катушек индуктивности), приводящий к пульсациям на выходе.
Трансформатор Z3 необходим для понижения напряжения, поскольку амплитуда импульсов с генератора А1 слишком велика и может достигать 300 В. При этом трансформатор Z3 работает на частотах порядка десятков килогерц, отчего имеет сравнительно небольшие габариты. Такие трансформаторы называются импульсными трансформаторами.
Далее, блоки Z4, Z5 и А2 образуют схемное решение классической схемы линейного источника питания, которая была рассмотрена ранее.
Данное схемное решение позволяет существенно повысить КПД устройства, что делает возможным его использование при больших токах нагрузки. Однако вместе с этим возрастает сложность схемы, что делает такой источник питания более дорогим и менее надежным.
 |
Следует отметить, что существуют схемные решения, в которых стабилизатор напряжения также является импульсным устройством. Такие источники обладают еще более высоким КПД (до 90 %), но их схемное решение еще более сложно и рассматривать их в данном курсе нецелесообразно.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 275.
