источники. ИП. Источники питания общие сведения
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Для работы большинства электронных устройств необходимо наличие одного или нескольких источников питания (ИП) постоянного тока. Все ИП можно разделить на две группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. РЭА может иметь в своем составе: ИП первой группы; ИП второй группы; ИП первой и второй групп одновременно. Источники первичного электропитания. К данной группе ИП относятся: 1) химические источники тока (гальванические элементы, батареи и аккумуляторы); 2) термобатареи; 3) термоэлектронные преобразователи; 4) фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи); 5) топливные элементы; 6) биохимические источники тока; 7) атомные элементы; 8) электромашинные генераторы. Химические источники тока (ХИТ) широко используются для питания маломощных устройств и аппаратуры, требующей автономного питания. Батареи и аккумуляторы являются также вспомогательными и (или) резервными источниками энергии в устройствах, питающихся от сети переменного тока. Выходное напряжение таких источников практически не содержит переменной составляющей (пульсаций), но в значительной степени зависит от величины тока, отдаваемого в нагрузку, и степени разряда. Поэтому в устройствах, критичных к напряжению питания, химические источники тока используются совместно со стабилизаторами напряжения. Термобатареи состоят из последовательно соединенных термопар. Термобатареи используются в качестве ИП малой мощности, например для питания радиоприемников. В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру, благодаря чему создается термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника. Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а следовательно, не дает возможность получить большую термо-ЭДС. Лучшие результаты дает использование в термогенераторах полупроводниковых термопар, или комбинированных, состоящих из проводника и полупроводника. Втермопаре, состоящей из полупроводников с n- и p- проводимостями, при нагревании спая количество электронов в полупроводнике n-типа и число дырок в полупроводнике p-типа увеличивается. Электроны и дырки вследствие диффузии в полупроводниках движутся от горячего слоя термопары к холодному. Перемещение дырок приводит к тому, что горячий конец полупроводника p-типа заряжается отрицательно, а холодный конец - положительно. В полупроводнике n-типа электроны, переходя от горячего конца к холодному, так же как, и в металле, заряжают горячий конец положительно, а холодный конец – отрицательно. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно больше термо-ЭДС металлической пары. Термоэлектронные преобразователи представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Эмитированные катодом электроны движутся к аноду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение анода. Взависимости от температуры нагрева катода термоэлектронные преобразователи делятся на низкотемпературные (1200 – 1600°С) и среднетемпературные (1900 – 2000°С). У среднетемпературных преобразователей КПД достигает 20%, что более чем в 2 раза превышает КПД термобатарей. Фотоэлектрические преобразователи осуществляют преобразование тепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую. Солнечные батареи представляют собой ряд фотоэлементов, соединенных между собой определенным образом. Фотоэлектрические преобразователи используются в качестве источника электрической энергии для питания маломощной радиоаппаратуры, а также для питания радиотехнической и телеметрической аппаратуры на спутниках Земли и на автоматических межпланетных станциях. Солнечные батареи просты, имеют очень большой срок службы и работают в большом диапазоне изменения температур. Топливные элементы осуществляют непосредственное преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восстановление кислорода происходит на разных электродах. Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПД преобразователя. В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам. Биохимические источники тока можно рассматривать как разновидность топливных элементов, так как в них протекают подобные окислительно-восстановительные процессы. Отличие биохимических элементов от топливных состоит в том, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводов и углеродов. Атомные элементы применяются для питания маломощных устройств. Конструкция таких ИП различна в зависимости от принципа их действия. Вэлементах, использующих β- излучение, на внутреннем электроде размещается радиоактивный изотоп стронция 90. Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик или вакуум. Под действием β-лучей на электродах создаются заряды. Напряжение в таких элементах может достигать нескольких киловольт, а внутреннее сопротивление очень велико (порядка 1013Ом). Разрядный ток не превышает одного миллиампера. Достоинством таких элементов является очень большой срок службы. Вэлементах, использующих контактную разность потенциалов, применяются электроды в виде пластинок из различных материалов. Одна из пластин покрыта двуокисью свинца, другая изготовлена из алюминия. Между электродами находится смесь инертного газа и радиоактивного трития. Под действием излучения происходит образование ионных пар. Напряжение между электродами определяется контактной разностью потенциалов. Под действием этого напряжения положительно и отрицательно заряженные ионы перемещаются к электродам. В элементах с облучаемыми полупроводниками радиоактивное вещество наносится на поверхность полупроводника (кремния). Излучаемые электроны, имеющие большую скорость, выбивают из атомов полупроводника большое количество электронов. В результате односторонней проводимости между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает ЭДС величиной нескольких десятых долей вольта. Внутреннее сопротивление таких элементов 100 – 1000 Ом, КПД может достигать нескольких процентов. Недостатком является малый срок службы вследствие разрушения полупроводника под действием радиации. Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Они делятся на генераторы постоянного и переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные генераторы, действие которых основано на использовании вращающегося магнитного поля. В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной частоте, то есть когда частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля. В асинхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при асинхронной частоте, то есть когда частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля. Источники вторичного электропитания. Они представляют собой функциональные узлы РЭА или законченные устройства, использующие энергию, получаемую от системы электроснабжения или источника первичного электропитания и предназначенные для организации вторичного электропитания радиоаппаратуры. Классификация источников вторичного электропитания. Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 1. По типу питающей цепи: 1.1 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока; 1.2 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока; 1.3 ИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока. 2. По напряжению на нагрузке: 2.1 ИП низкого (до 100 В) напряжения; 2.2 ИП среднего (от 100 до 1000 В) напряжения; 2.3 ИП высокого (свыше 1000 В) напряжения. 3. По мощности нагрузки: 3.1 ИП малой мощности (до 100 Вт); 3.2 ИП средней мощности (от100 до 1000 Вт); 3.3 ИП большой мощности (свыше 1000 Вт). 4. По роду тока нагрузки: 4.1 ИП с выходом на переменном токе; 4.2 ИП с выходом на постоянном токе; 4.3 ИП с выходом на переменном и постоянном токе. 5. По числу выходов: 5.1 одноканальные ИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока; 5.2 многоканальные ИП, имеющие два или более выходных напряжений. 6. По стабильности напряжения на нагрузке: 6.1 стабилизированные ИП; 6.2 нестабилизированные ИП. Стабилизированные источники питания имеют в своем составе, по крайней мере, один стабилизатор напряжения (тока) и могут быть разделены: а) по характеру стабилизации напряжения: - ИП с непрерывным регулированием; - ИП с импульсным регулированием. б) по характеру обратной связи: - параметрические; - компенсационные; - комбинированные; в) по точности стабилизации выходного напряжения: - ИП с низкой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность выходного напряжения более 2–5%); - ИП со средней стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность не более 0,5–2%); - ИП с высокой нестабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность до 0,1–0,5%); - Прецизионные ИП (суммарная нестабильность менее 0,1%). Примечание: к вторичным источникам питания (вторичным элементам) принято относить также аккумуляторы, хотя деление ХИТ на первичные и вторичные условно (аккумуляторы могут использоваться и для однократного разряда). Параметры сети питания электроэнергией. Основные электрические параметры сети электропитания следующие: 1. Номинальное значение питающего напряжения U. 2. Относительная нестабильность питающего напряжения, характеризующая возможные пределы изменения его значения относительно номинального – верхний предел 100%  3. Внутреннее сопротивление первичного источника питания электроэнергией и питающей сети. 4. Уровень пульсаций питающего напряжения на выходе источника вторичного электропитания (для сети постоянного тока), который характеризует амплитуду (или эффективное значение) переменной составляющей напряжения, приложенного к ИП. Уровень пульсаций может также определяться отношением значения амплитуды (или эффективного значения) переменной составляющей питающего напряжения к его номинальному значению. 5. Частота, возможные искажения формы кривой питающего напряжения и возможная несимметрия по фазам питающей сети. Параметры источников вторичного электропитания. 1. Номинальные выходные напряжения и токи. 2. Нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации. 3. Максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных цепей ИП. Для источников питания с выходом на переменном токе задаются максимальное, минимальное и номинальное значения полной мощности (вольт - амперах) S=U /Z (где U–действующее значение напряжения на нагрузке, Z-модуль полного сопротивления нагрузки) и соответствующие значения коэффициентов мощности на грузки cos ϕ=R/Z, где R-активное сопротивление нагрузки. 4. Номинальное значение тока, потребляемого ИП от сети электропитания или первичного источника питания электроэнергией. Для ИП, работающего в режиме изменяющейся нагрузки, задаются номинальное, максимальное и минимальное значения мощности, потребляемой от первичного ИП. 5. Для ИП, питающихся от сети (или источника) переменного тока, коэффициент мощности cosϕ =P /S ,где P-активная составляющая полной мощности, потребляемой ИП от первичной сети. Для нагрузок постоянного тока cos ϕ =1,так как P=S. 6. Коэффициент полезного действия в номинальном режиме  7. Внутреннее сопротивление ИП, равное численному значению отношения изменения выходного напряжения ∆Uвых к вызвавшему его изменению тока нагрузки (выходного тока) ∆Iвых (рис. 1.1.) 8. Уровень пульсаций выходного напряжения Uп и/или коэффициент пульсаций Кп (рис. 1.2.)  Рис. 1.1. Нагрузочная характеристика ИП 1–характеристика идеального источника питания; 2–характеристика реального источника питания.   Рис. 1.2. Временная диаграмма выходного напряжения источника питания с выходом на постоянном токе. Элементная база ИП. В качестве базовых электрорадиоэлементов ИП используются: 1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы); 2) полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, транзисторы; 3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные); 4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость); 5) линейные интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители низкой частоты); 6) интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и импульсные); 7) интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП (АС-DСиDС-DС конверторы, однотактные и двухтактные ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания); 8) элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодиоды, аналоговые и цифровые индикаторы); 9) предохранители (плавкие, биметаллические, электронные). Современная тенденция развития ИП такова, что они строятся в основном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных активных элементов в них постоянно уменьшается. Уже в 1967 была разработана микросхема линейного интегрального стабилизатора µА723, представляющая собой настоящий блок питания. Микросхема 723 содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Современные стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, имеют широкий спектр функциональных возможностей, но построены на тех же принципах, что и µА723. Таблица 1.1.  Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на фиксированное значение напряжения, так и предназначенных для регулирования величины, выходного напряжения в достаточно широких пределах. Например, выходное напряжение недорогой отечественной микросхемы КР142ЕН12А может изменяться в пределах от +1, 25 до +36 В. При этом она может отдавать ток в нагрузку до 1,5 А.Ряд линейных стабилизаторов, помимо своей основной функции, способны: 1) следить за значением входного напряжения и формировать контрольный сигнал, предназначенный для предупреждения об аварийной просадке напряжения на входе; 2) изменять выходное напряжение и выходной ток под действием управляющего сигнала; 3) совместно с резервным источником питания (аккумулятором или батареей) обеспечивать бесперебойное питание устройства, что особенно важно для микропроцессорных систем. Интегральные АС-DС преобразователи представляют собой, по сути дела, готовые источники питания. Например, преобразователь HV2405E фирмы Harris semiconductor осуществляет прямое преобразование переменного тока (18 – 264 В) в постоянный (5–24В). Выходной ток HV405E может достигать 50 мА. Для превращения микросхемы в компактный, легкий, дешевый и эффективный ИП необходимо только несколько недорогих внешних компонентов (не требуется никаких дополнительных трансформаторов и дросселей). HV-2405E заменяет собой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор напряжения. Мощные АС-DС конверторы способны отдавать ток в нагрузку значительно больший. Так отечественная микросхема 1182ЕМ3 обеспечивает выходной ток до 1,7 А и имеет встроенную защиту по току и встроенную защиту от перегрева. Правда для работы такой микросхемы потребуется подключение внешнего трансформатора или дросселя. Назначение и условия эксплуатации изделия. Практика радиоконструирования предъявляет к источникам питания разнообразные и подчас противоречивые требования. В одних случаях нужен мощный источник, в других – например при пробном включении маломощных устройств, - выходной ток источника должен быть ограничен безопасным для них значением. Выходное напряжение источника обычно стремятся поддерживать постоянным, однако при исследовании устойчивости электронных устройств к помехам по питанию это напряжение преднамеренно варьируют. Весьма широк интервал используемых значений выходного напряжения. Удовлетворить эти требования можно либо применением нескольких источников питания, либо созданием универсального блока, допускающего различные режимы работы и изменение в широких пределах значений выходных параметров. |