Описание электрической цепи заряд, ток, напряжение, мощность, энергия Электрическим зарядом
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
9. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 9.1. Структурная схема источника питания Для работы электронной аппаратуры необходим источник питания (чаще всего постоянного напряжения). Для мобильных устройств требуются автономные источники питания (батареи, аккумуляторы), электрическая энергия (мощность) которых имеет высокую стоимость. Значительно экономичней электропитание от силовой сети переменного (гармонического) тока с частотой 50 Гц и действующим значением напряжения 220 В. В розетке однофазной силовой сети (дома, в лаборатории) имеется два контакта (рис. 9.1а), к которым подключается вилка источника питания. Один из контактов с высоким напряжением относительно точки нулевого потенциала («земли») называют фазой, а второй (с теоретически с нулевым потенциалом) нейтралью.  Рис. 9.1 Временная диаграмма сетевого напряжения  показана рис. 9.1б. Его амплитуда равна  В, а период повторения 20 мс, что соответствует частоте сети 50 Гц.Источник питания преобразует высокое переменное напряжение силовой сети в постоянное напряжение требуемой величины. Его структурная схема показана на рис. 9.2. Переменное сетевое напряжение подается на силовой трансформатор (Тр), который понижает его до требуемого уровня , например, 20 В действующего значения.  Рис. 9.2 Пониженное переменное напряжение подается на выпрямитель, обычно построенный на полупроводниковых диодах, однополярные импульсы тока которого поступают в фильтр, и на его конденсаторе формируется постоянная составляющая напряжения. С выхода фильтра напряжение подается на электронный стабилизатор напряжения (он может отсутствовать), который поддерживает заданным выходное постоянное напряжение при изменении напряжения сети и тока нагрузки. К выходу источника питания подключается нагрузка - питаемое электронное устройство. 9.2. Силовой трансформатор Силовой трансформатор представляет собой сердечник из пластин трансформаторного железа, на котором расположены обмотки (катушки) из медного провода (рис. 9.3).  Рис. 9.3 Напряжение сети подается на первичную обмотку с числом витков  и в ней возникает переменный ток, который создает в обмотке переменное магнитное поле. Сердечник замыкает силовые линии этого магнитного поля внутри вторичной обмотки с числом витков  (таких обмоток может быть несколько) и за счет этого в обмотке создается ЭДС взаимоиндукции, вызывающая переменное напряжение вторичной обмотки , , (9.1)- коэффициент трансформации, равный  . (9.2)Силовые трансформаторы могут изготавливаться производителем аппаратуры самостоятельно, однако целесообразно использовать серийно выпускаемые трансформаторы типов ТПП (трансформаторы для питания полупроводниковых приборов) или ТН (трансформаторы накальные для питания подогревателей электровакуумных приборов). В типовых трансформаторах первичная обмотка разделяется на две части и располагается на двух вертикальных частях сердечника на рис. 9.3. Они должны соединяться последовательно и согласно. При встречном включении этих обмоток трансформатор выйдет из строя. Так же симметрично располагаются и соединяются вторичные обмотки. Внешний вид трансформаторов ТПП и ТН броневой конструкции показан на рис. 9.4.  Рис. 9.4 Примером может служить силовой трансформатор ТПП48 127/220 50, его условно-графическое обозначение показано на рис. 9.5. Он может работать в сетях 127 В и 220 В с частотой 50 Гц, что и отражается в его маркировке, максимальная мощность 14 ВА. На рис. 9.5 показаны две первичных обмотки с выводами 1-5 и 6-10, выводы которых расположепны на корпусе трансформатора. Для питания от силовой сети 220 В необходимо соединить выводы 2 и 6, а напряжение сети подавать на выводы 1 и 8 первичной обмотки. Шесть вторичных обмоток с номерами выводов 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20 и 21-22 в режиме холостого хода (без нагрузки) обеспечивают напряжения 13,8 В, 13,8 В, 13,8 В, 13,8 В, 1,5 В и 1,5 В соответственно при максимальных токах 0,61 А.  Рис. 9.5 9.3. Выпрямитель Различают две основных схемы выпрямителя - однополупериодную (рис. 9.6а) и двухполупериодную с двумя вторичными обмотками (рис. 9.6б), широко применяется и мостовой выпрямитель [3], VD – полупроводниковые диоды, сопротивление нагрузки. Рассмотрим работу наиболее эффективного двухполупериодного выпрямителя на рис. 9.6б. Сетевое напряжение с действующим значением 220В подается на первичную обмотку силового трансформатора Тр. На его двух вторичных обмотках формируются пониженные противофазные относительно «земли» переменные напряжения и , поступающее на выпрямитель, построенный на полупроводниковых силовых диодах VD1 и VD2.  Рис. 9.6 На рис. 10.7 показаны полученные с помощью схемотехнического моделирования временные диаграммы сетевого напряжения с амплитудой 311 В и частотой 50 Гц на входе трансформатора (верхняя кривая), двух напряжений вторичных обмоток (сплошная линия) и (пунктир) в середине рисунка и импульсов тока  в нагрузке (нижняя кривая). При положительной полуволне напряжения (помечена цифрой 1) диод VD1 открыт и через него протекает импульс тока в нагрузку, а VD2 – закрыт и ток через него не притекает ( ). При отрицательной полуволне диод VD2 открыт и импульс тока через него поступает в нагрузку, а диод VD1 закрыт ( ).9.4. Фильтр В схемах на рис. 9.6 выходное напряжение имеет пульсирующий характер, повторяя форму импульсов тока (в нижней части рис. 9.7). Для питания электронной аппаратуры требуется постоянное напряжение, которое формируется сглаживающим фильтром источника питания.  Рис. 9.7 В простейшем случае сглаживающий фильтр реализуется подключением конденсатора параллельно нагрузке, как показано на рис. 9.8. Импульсы тока выпрямителя заряжают , создавая на нем постоянное (слабо пульсирующее) напряжение , пригодное для питания электронных устройств. Чем больше емкость , тем меньше уровень пульсаций выходного напряжения .  Рис. 9.8 Другие варианты реализации сглаживающего фильтра источника питания рассмотрены в [3]. Величина емкости определяется выпрямленным (постоянным) напряжением и током нагрузки или сопротивлением нагрузки выпрямителя  .Для двухполупериодного выпрямителя должно выполняться условие  ,где  - круговая частота сетевого напряжения с циклической частотой 50 Гц. Например, при  и  получим  и следовательно ,например,  мкФ.На рис. 9.9 приведены временные диаграммы сетевого напряжения с действующим значением 220 В, тока в емкости фильтра (  мкФ) и напряжения на нагрузке 40 Ом.Как видно, после завершения переходного процесса на выходе выпрямителя формируется постоянное (слабо пульсирующее) напряжение 25 В, пригодное для питания электронной аппаратуры. 9.5. Электронный стабилизатор напряжения Постоянное напряжение на выходе выпрямителя пропорционально изменяется при колебаниях напряжения сети и падает с ростом тока нагрузки. Кроме того, оно пульсирует с частотой 50 или 100 Гц в зависимости от схемы выпрямителя. Амплитуда пульсаций также увеличивается с ростом тока нагрузки.  Рис. 9.9 Для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке на выходе выпрямителя включается электронный стабилизатор напряжения. Простейший маломощный стабилизатор напряжения реализуется на базе полупроводникового стабилитрона, соответствующая схема показана на рис. 9.10а, а вольтамперная характеристика стабилитрона – на рис. 9.10б (рассмотрите его работу самостоятельно).  Рис. 9.10 Чаще всего подобные простые стабилизаторы используются в качестве источника опорного напряжения (ИОН) более сложных электронных стабилизаторов. Принципы работы компенсационных (линейных) и импульсных стабилизаторов рассмотрены в [3]. Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации, равный отношению относительной нестабильности выходного напряжения к относительной нестабильности напряжения на нагрузке,  , (9.3)где  - изменение входного напряжения , которое вызывает изменение напряжения на нагрузке  . Чем выше  , тем меньше меняется выходное напряжение при заданном изменении входного, поступающего от выпрямителя.Существенное значение имеет коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора, равный  , (9.4)где - входная электрическая мощность, поступающая от выпрямителя, а - мощность, передаваемая стабилизатором в нагрузку. Компенсационные стабилизаторы имеют низкий КПД (менее 50%). Это приводит не только к расходу мощности, но и к необходимости отвода тепла на проходном транзисторе. Если эта мощность выше нескольких ватт, то потребуется громоздкий и дорогой радиатор и, возможно, вентилятор для принудительного отвода тепла. Импульсный стабилизатор при грамотном проектировании имеет высокий КПД и лучшие массогабаритные характеристики. Его недостатком является высокий уровень импульсных помех. Современная микроэлектроника предлагает широкий набор интегральных схем для реализации источников питания. Весьма распространенными являются интегральные схемы серии 142 в пластмассовых трехвыводных КТ-28-2 (рис. 10.13) корпусах.  Примером может служить стабилизатор КР142ЕН5А с выходным стабилизированным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 1,5 А. Входное напряжение должно находиться в пределах от 7,5 В Рис. 9.11 до 15 В при мощности рассеивания 10 Вт и комнатной температуре. Предусмотрена внутренняя схема защиты (резкого снижения выходного напряжения) при превышении максимального тока и перегреве стабилизатора. Типовая схема включения стабилизатора КР142ЕН5А показана на рис. 9.12а. Емкость электролитических конденсаторов должна быть не менее 10 мкФ. Выходной ток  (ток нагрузки) должен быть не более такого значения  , при котором рассеиваемая на стабилизаторе мощность не превышает допустимую  (без радиатора  , с радиатором  ). Кроме того, должно выполняться условие  .Рассеиваемая микросхемой мощность приближенно равна  ,тогда  .Например, при  без радиатора получим  . Рис. 9.12 На рис. 9.12б показан вариант включения стабилизатора КР142ЕН5А с возможностью регулировки выходного напряжения в диапазоне от 5 В до  при тех же ограничениях на максимальный выходной ток. Сопротивление  , а уровень выходного напряжения устанавливается переменным сопротивлением  .Промышленность производит аналогичные стабилизаторы отрицательного напряжения с фиксированным и регулируемым значениями, например, КР142ЕН10, КР142ЕН11. Выпускается двухполярный стабилизатор КР142ЕН6, формирующий положительное +15 В и отрицательное -15 В выходные напряжения. Простейший импульсный стабилизатор напряжения рассмотрен в [3]. |