Теоретические сведения. 2.1. Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

2.1. Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

 

Источником питания называется устройство, обеспечивающее необходимое напряжение и ток при заданной нагрузке.

Источники питания (ИП) делятся на два класса: первичные и вторичные. Первичным считается ИП, в котором электрическая энергия получается в результате химической реакции (например, гальванические батареи), поглощения световой (солнечные батареи) или тепловой (термоэлементы) энергии и т.д. если же в источнике электрический ток одного рода преобразуется в электрический ток другого рода, то такой ИП называется вторичным. Чаще всего во вторичных ИП (ВИП) происходит преобразование переменного тока в постоянный, а точнее в пульсирующий. В подавляющем большинстве случаев для ВИП источником энергии служит сеть переменного тока с частотой 50 Гц.

По определению переменным называется ток, изменяющийся во времени, по величине и знаку. Ток, изменяющийся по чисто гармоническому закону (рис.1а) характеризуется амплитудой I_m, частотой w, средним I_ср и действующим I значениями тока.

Средним значением силы переменного тока называется среднее значение из всех мгновенных значений тока за положительный полупериод (поскольку среднее значение за период равно нулю).

а) б)

в)

Рис.1. Изменение тока по гармоническому закону.

 

(1)

Действующим значением силы переменного тока называется такое значение силы постоянного тока, который за время одного периода выделяет на данном резисторе то же количество теплоты, что и переменный ток:

, , (2)

приравняв эти значения для постоянного и переменного тока получим:

, (3)

т.е. действующее значение переменного тока является средним квадратичным значением переменного тока за период Т.

Постоянный ток – это ток, не изменяющийся во времени (рис.1б).

Пульсирующий ток изменяет свою величину (рис.1в), но не меняет направление. Он оценивается средним значением, которое называется постоянной составляющей выпрямленного тока I₀, коэффициентом пульсаций К_П и частотой пульсаций. Коэффициентом пульсаций называется отношение пикового значения переменной составляющей пульсирующего тока к постоянной составляющей:

. (4)

Так как пульсации в реальных ВИП носят негармонический характер, то в их спектре можно выделить первую, вторую и т.д. гармоники. Поскольку амплитуда первой гармоники максимальна, наибольший интерес представляет коэффициент пульсаций по первой гармонике:

(5)

Независимо от функции, конкретного назначения и требований почти все ВИП строятся по функциональной схеме, показанной на рис.2.

Рис. 2.

Трансформатор необходим для получения на его вторичной обмотке нужного напряжения. Одновременно с этим он обеспечивает гальваническую развязку питающей сети и выходной цепи ВИП. Выпрямитель-устройство, в котором переменный ток преобразуется в пульсирующий с помощью эмиттерного перехода (диода) с явно выраженной нелинейностью ВАХ. Так как коэффициент пульсации непосредственно на выходе выпрямителя велик, то после выпрямителя ставится фильтр, на выходе которого коэффициент пульсации много меньше, чем на выходе. Для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей цепи используется стабилизатор напряжения или тока.

К основным электрическим показателям характеризующим ВИП как единое целое относятся:

1. величина постоянного напряжения на выходе ВИП-выпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) U₀;

2. постоянная составляющая выходного тока - выпрямленный ток I₀;

3. коэффициент пульсаций выходного напряжения (тока).

4. выходное сопротивление ВИП для переменных токов R_вых.

Рассмотрим принцип построения и работы выпрямителя, фильтра и стабилизатора.

2.2. Выпрямители

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная схема, работающая на чисто активную нагрузку (рис.3а). Она состоит из простого трансформатора и вентиля, в качестве которого в настоящее время чаще других используют полупроводниковый кремниевый диод. Вентилем называют прибор, обладающий несимметричной проводимостью – малым сопротивлением для прямого тока и большим сопротивлением для обратного тока.

При включении в цепь источника переменного тока на диоде появляется разность потенциалов. Пусть в течении первого полупериода в точке а будет положительный потенциал, в точке б отрицательный.

 

а)

б)

Рис.3

В течении этого полупериода в цепи будет прямой ток, а в течении второго обратный. Так как обратный ток достаточно мал, то им можно пренебречь, и в цепи получится ток постоянный по направлению и переменный по значению, т.е. пульсирующий. Изменение мгновенных значений напряжения и силы тока в цепи представлены на графике рис.3б. Таким образом, диод проводит в течении половины периода (диод как ключ замкнут), а в течении другой половины не проводит (диод как ключ разомкнут). В однополупериодной схеме выходной ток определяется выражением

, (6)

 

а средневыпрямленный ток по периоду I₀ (не путать с I_ср, который определяется по положительному полупериоду) равен:

(7)

Средневыпрямленное напряжение (постоянная составляющая) U₀ и постоянная составляющая тока I₀ равно:

(8)

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения называется коэффициентом выпрямления.

(9)

т.е.

Обратное напряжение, действующее на диод равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:

(10)

Коэффициент пульсации определяется отношением амплитуды первой гармоники на нагрузке к среднему значению напряжения (силы тока). Разложив выражение для импульсов напряжения при однополупериодном выпрямлении в ряд Фурье, получим

(11)

Первый член ряда является постоянной составляющей (), а второй - первой гармоникой. Следовательно,

 

(12)

Величина коэффициента пульсации в однополупериодном выпрямителе оказывается большой, что является существенным недостатком этой схемы. Кроме того, ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в одном направлении, создавая постоянное подмагничивание, что увеличивает размеры и массу трансформатора.

Поэтому для повышения эффективности выпрямления используется двухполупериодная схема, которая отличается от однополупериодной наличием двух диодов и более сложным трансформатором, вторичная обмотка которого имеет отвод от средней точки (рис.4а).

В результате этого ток в нагрузке проходит в течение обоих полупериодов входного напряжения. В первом полупериоде, когда напряжение в точке а положительно относительно нулевого вывода, открывается диод VD1 и через нагрузку R_н протекает ток i₁=i_н. В этом полупериоде в точке б напряжение отрицательное и диод VD2 находится под обратным напряжением и поэтому закрыт. Во втором полупериоде напряжение в точке а будет отрицательным, а в точке б положительным (знаки потенциалов указаны в скобке). Тогда начинает проводить ток диод VD2 (i_н=i₂), а диод VD1 оказывается под обратным напряжением.

Далее процессы в схеме периодически повторяются, в результате чего ток i_н протекает через нагрузку R_н в одном направлении, т.е. является выпрямленным током нагрузки, среднее значение которого показано на рис.4б (средний график).

Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. Обратное напряжение, приложенное к любому закрытому диоду, равно сумме напряжений на обеих вторичных обмотках. Например, на интервале 0,5 Т…Т, когда открыт диод VD2, к аноду диода VD1 приложено отрицательное напряжение U₂΄;, а к его катоду положительное напряжение U_н =U₂΄΄;,выделяемое на нагрузке R_н. Поэтому мгновенное обратное напряжение U_обр = U₂΄+ U₂΄΄=2 U₂΄;(рис.4б - нижний график), а максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно сумме их амплитуд.

а)

б)

Рис.4

При двухполупериодном выпрямлении среднее значение выпрямленного напряжения и силы тока определяется по следующим формулам:

, (13)

т.е. в два раза выше, чем в однополупериодном.

Напряжение на нагрузке является пульсирующим. Разложив в ряд Фурье, получим

 

.(14)

Тогда коэффициент пульсации при двухполупериодном выпрямлении будет равен:

(15)

На практике для определения коэффициента пульсации при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой

, (16)

где m – число фаз выпрямления.

В нашем случае m =2 (две вторичных обмоток) и , что значительно меньше, чем при однополупериодном выпрямлении. Лучше используется и трансформатор. В двухполупериодной схеме ток во вторичной обмотке каждый полупериод протекает в противоположных направлениях, что теоретически устраняет подмагничивание.

Для получения двухполупериодного выпрямления используется также мостовая схема (рис.5), которая выгодно отличается от выпрямителя с нулевым выводом, так как используется простой трансформатор (без нулевого вывода со вторичной обмотки) в принципе в мостовой схеме трансформатор вообще может отсутствовать, и поэтому выпрямитель можно непосредственно включить в сеть переменного тока. Допустим, что в начальный момент времени на верхнем конце вторичной обмотки (точка а) по отношению к нижнему концу (точка б) существует положительный потенциал. В этом случае ток в схеме течет по цепи VD2- R_н - VD4. В следующий полупериод точка б положительна относительно точки а и ток течет по цепи VD3- R_н - VD1. Направление тока через R_н не меняется, а через вторичную обмотку меняется. Так как в мостовой схеме используются оба полупериода напряжения, то она называется двухполупериодной однофазной схемой. Осциллограммы напряжения и тока на нагрузке имеют такой же вид, как и на рис.4б. Максимальное обратное напряжение в мостовой схеме равно сумме амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке и напряжения на нагрузке. Однако следует иметь в виду, что это напряжение приложено к двум последовательно включенным диодам и поэтому делится между ними пополам. Коэффициент пульсации меньше, чем в ранее рассмотренной
однополупериодной схеме (при прочих равных условиях).

Рис. 5

2.3. Сглаживающие фильтры

 

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрямленного напряжения всегда нежелательно для нормальной работы электронных устройств. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры, которые включаются между выпрямителем и активной нагрузкой. В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы – конденсаторы и дроссели (индуктивные катушки), представляющие соответственно малое и большое сопротивления для переменного, и наоборот, большое и малое сопротивления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются параллельно нагрузке R_н, а дроссели последовательно с ней. Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:

 

, (17)

а также падением постоянного напряжения на фильтре. Это важно из-за того, что через фильтр проходит весь ток нагрузки и чем меньше падение напряжения на нем, тем меньшая мощность бесполезно теряется в фильтре. Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество ВИП. На практике применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров: емкостной, индуктивный, Г- образный и П-образный LC –фильтры.

В простейшем случае напряжение сглаживается с помощью емкости, подключенной параллельно нагрузке (рис.6).

Рис. 6

В этой схеме (выпрямителя с емкостным фильтром) включением r учитывается сопротивление вторичной обмотки трансформатора, потери на рассеивание и сопротивление диода в открытом состоянии. Фильтрующие свойства конденсатора основываются на его способности накапливать электрическую энергию на тех отрезках времени, когда диоды выпрямителя открыты, и возвращать энергию в нагрузку, когда диоды закрыты. Если X_c<<R_н, то уже за первые несколько периодов конденсатор зарядится до амплитудного значения входного напряжения и в схеме установится стационарное состояние, при котором конденсатор будет периодически «подзаряжаться» через диоды, а затем разряжаться через нагрузку (рис.7).

Рис. 7

 

Введение простейшего емкостного фильтра приводит к тому, что в выпрямителе начинают действовать как бы два источника энергии. В те моменты времени, когда диоды открыты, источником энергии является сеть, в остальное время – конденсатор. Это приводит к резкому возрастанию постоянного напряжения на нагрузке и одновременно к уменьшению пульсаций. Выходное напряжение и коэффициент пульсации связаны с постоянной времени разряда конденсатора.

Рассмотрим работу выпрямителя с простым емкостным фильтром на примере однополупериодной схемы. В полупериод, когда анод диода окажется более положительным, чем катод, через диод пройдет ток (интервалы времени t₀ - t₁, t₂ - t₃ и т.д. на рис.7). конденсатор начнет заряжаться с постоянной времени t₃ = t_с в полярности, показанной на рис.6. В тот момент, когда мгновенное напряжение на вторичной обмотке U₂ станет равно напряжению на конденсаторе (выходному напряжению), прямой ток через диод прекратится и конденсатор начнет разряжаться через сопротивление R_н с постоянной времени t_p = R_нС (интервалы времени t₁ - t₂, t₃ - t₄ и т.д. на рис.7). Поскольку _p >> ₃ (из-за R_H >> r), то на начальном этапе заряд электронов, поступающий в конденсатор за время зарядки, больше заряда, теряемого во время разряда, и выходное напряжение растет от периода к периоду. Рост выходного напряжения прекратиться, когда заряд, приобретаемый конденсатором, будет равен заряду, теряемому им в течение одного периода, то есть: Q_зар=Q_разр. Рассмотрим этот установившийся режим и для упрощения анализа заменим реальную форму напряжения пилообразной (рис.8).

Рис. 8

 

Тогда постоянная составляющая выходного напряжения (U_т/p=0.318U_т) определяется из рисунка очевидным выражением U₀=U_mс-∆U_с/2, ∆U_с=2(U_mс-U₀) в котором величину ∆U_с можно определить из соображений стационарности процесса заряда и разряда конденсатора. Заряд, который получает конденсатор за время t₂-t₁ равен Q_зар=C∆U_с. Заряд, который теряет конденсатор за время t₃-t₂ равен Q_разр=I₀(t₃-t₂). Интервал времени t₃-t₂ из рисунка можно выразить через угловые единицы:

t₃-t₂=π +(π -θ)= 2p -θ;,

тогда Q_разр=I₀(t₃-t₂)=U₀/R_H(2π-θ).

 

Условие стационарности (Q_зар=Q_разр) дает уравнение

 

C∆U_с= U₀/R_H(2π-θ),

из которого находим

 

∆U_с= U₀/R_H(2 π-θ)=U₀(2 π/τ-θ/τ)= U₀(T/τ-θ/τ), (18)

а относительная величина пульсации

 

 

тем меньше, чем больше постоянная времени τ=R_HC. Так как сопротивление нагрузки обычно бывает задано, то для увеличения τ; можно увеличивать емкость С. Однако чрезмерное увеличение емкости сопровождается ростом тока заряда, что опасно для диода. Действительно, если θ; представляет собой выраженный в угловых единицах отрезок времени, в течение которого протекает ток через диод, то из рисунка видно, что время разряда при большой емкости несколько больше половины периода, а значит, θ; составляет малую долю периода. И оно тем меньше, чем больше время разряда. Это означает, что чем меньше θ;, тем больше амплитудный ток заряда и круче кривая заряда. Учитывая, что I_mθ = I_0π имеем I_m/I₀= π/θ т.е. чем меньше θ; (больше емкость), тем больше I_m (при постоянной I₀).При заданной же емкости в работе можно снять зависимость θ; от тока нагрузки, то есть меняя R_H меняем ток нагрузки и постоянную разряда τ (а значит и θ;). Угол θ носит название угла отсечки:

∆U_с=U_mс-U_mcosθ;,

отсюда

 

cosθ=(U_mс-∆U_с)/Um=Umс/Um-∆Uс/Um≈1-∆U_с /U_m.

 

При установившемся режиме U₀ очень близок к амплитудному значению U₀= U_m. Тогда можно принять cos θ=1- ∆U_с /U₀ .

Таким образом, включение конденсатора параллельно нагрузке увеличивает выпрямленное напряжение (в пределе до U_m ) и уменьшает коэффициент пульсации (в пределе до нуля). В схемах выпрямителей, в которых используются оба полупериода напряжения, эффект от включения конденсатора параллельно нагрузке увеличивается. Кроме того, дальнейшее сглаживание производится путем включения дополнительных фильтрующих звеньев, чаще всего П-образного LС- фильтра, применяемого в данной работе (рис.9).

Рис. 9

Ранее отмечалось, что через фильтр проходит ток нагрузки и поэтому падение постоянного напряжения на нем должно быть минимальным. Элемент фильтра, через который проходит ток нагрузки, должен обладать в идеале бесконечно большим сопротивлением для переменного тока и нулевым сопротивлением для постоянного тока. В определенной мере таким требованиям удовлетворяет катушка индуктивности (дроссель). Дроссель ДР, имеет значительную индуктивность Lи представляя большое сопротивление для переменной составляющей тока, уменьшает пульсации тока в нагрузке. Пульсации не проходя через индуктивность замыкаются на землю через конденсатор С₁, имеющий малое сопротивление для переменных составляющих тока. Для постоянной же составляющей тока сопротивление дросселя незначительно. Емкость С₂ как и С₁ выбирается такой, чтобы С₂R_H>> T, где Т период основной (самой низкой) гармоники пульсирующего тока. Сглаживающее действие С₂ аналогично С₁.

2.4. Стабилизаторы напряжения на транзисторах

Современная электронная аппаратура предъявляет жесткие требования не только пульсациям выходного напряжения источника питания, но и к неизменности (стабильности) его постоянного напряжения. В процессе работы ВИП напряжения на выходе сглаживающего фильтра может изменяться (имеются в виду медленные изменения, а не пульсации) в основном по двум причинам: изменение напряжения питающих цепей и сопротивление нагрузки. Если эти изменения недопустимо велики, то в схему ВИП вводится стабилизатор напряжения. Стабилизатором напряжения называется радиоэлектронное устройство автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки. Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульсивного действия (ключевые стабилизаторы).

Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения являются: коэффициент стабилизации напряжения, показывающее во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

К_ст = (∆U_вх/ U_вх)/(∆U_вых/U_вых. (19)

Выходное сопротивление, характеризующего изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки:

R_вых=½∆U_вых/∆I_н½; (20)

Коэффициент полезного действия

η=U_выхI_н/U_вI_вх. (21)

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широко используются в ВИПах. На рис.10 показан простейший компенсационный стабилизатор на дискретных транзисторах. В схеме стабилизатора транзистор Т₁ является регулирующим (силовым) элементом, управление которым осуществляет усилитель на транзисторе Т₂. Стабилитрон Д и резистор R₂ составляют параметрический стабилизатор, создающий опорное (эталонное) напряжение U_оп. Резисторы R₃ и R₄ – элементы цепи отрицательной обратной связи, напряжение на выходе которой пропорционально напряжению на нагрузке U_oc=U_HR₄/(R₃+R₄).

 

Рис.10

В данном стабилизаторе выходное напряжение всегда равно разности между входным напряжением и падением напряжения на регулирующем транзисторе Т₁, т.е. U_H=U_вх-U_к. Схема работает следующим образом. Допустим, что из-за увеличения входного напряжения выходное напряжение стало выше нормального. Это вызовет увеличение напряжения обратной связи U_ос на резисторе R₄ выходного делителя и сигнала рассогласования U_ос-U_оп,который усиливается транзистором Т₂ и поступает на базу регулирующего транзистора Т₁ такой полярности (плюсом), что транзистор призакроется. Это вызовет увеличение падения напряжения на регулирующем транзисторе и уменьшения напряжения на нагрузке до номинального значения. Таким образом, при отрицательном сигнале рассогласовании транзистор Т₂ приоткрывается, его коллекторный ток растет и из-за увеличения падения напряжения на резисторе R₁ потенциал коллектора и соединенного с ним базы транзистора Т₁ по абсолютной величине уменьшается. В результате чего транзистор Т₁ подзапирается. Если напряжение рассогласования становится положительным (а это случается при уменьшении входного напряжения), то Т₂ призакрывается (из-за роста потенциала базы по абсолютной величине), и на нем меньше падает напряжение. В результате на выходе напряжение поднимается до исходного значения.

Итак, регулирующий транзистор меняет свое сопротивление в зависимости от изменения напряжения на входе, и поэтому падение напряжения на нем либо уменьшается, либо возрастает, компенсируя уменьшение или увеличение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически неизменным.