какие ивэп применяются в современной радиоаппаратуре

Работа 9.1

Исследование источника вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для получения напряжения, необходимого для питания различных электронных устройств. Действующее значение напряжения сети переменного тока составляет 220 В. В то же время для работы электронных приборов необходимо постоянное напряжение, величина которого обычно не превышает нескольких вольт. Вторичные источники получают энергию от первичных источников: сети переменного тока, аккумуляторов и т. д.

Структурная схема ИВЭП, получающего энергию от сети переменного тока, показана на рис. 9.1.1. Трансформатор Тр предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение синусоидальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает колебания напряжения на нагрузке.

Рассмотренный источник питания имеет большие вес и габариты, определяемые прежде всего размерами трансформатора и сглаживающего фильтра. В настоящее время такие ИВЭП вытесняются преобразовательными устройствами, работающими на частотах, составляющих десятки и сотни килогерц. При этом удается значительно уменьшить размеры и вес устройства.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 9.1.2). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 9.1.3. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Здесь – действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (9.1.1) по заданному значению напряжения можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде

Максимальный ток диода

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 9.1.2 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя:

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.

Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис. 9.1.4.

9.1.3. Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямителей имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания электронной аппаратуры часто требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсаций, не превышающим нескольких процентов. Для уменьшения пульсаций используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

Простейшим является емкостный фильтр ( С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рис. 9.1.7).

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора С (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки.

Амплитуда пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя оказывается в два раза меньше:

Формулы (9.1.2) и (9.1.3) позволяют определить емкость сглаживающего конденсатора, обеспечивающую заданную амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения.

На практике используют и более сложные схемы сглаживающих фильтров, содержащих конденсаторы и индуктивные катушки. Они обеспечивают лучшее сглаживание. Основной недостаток таких фильтров – большие габариты и вес.

9.1.4. Стабилизаторы напряжения

В процессе работы ИВЭП напряжение на выходе сглаживающего фильтра может изменяться из-за колебаний сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника и других факторов. Если отклонения напряжения превышают допустимую величину, в схему ИВЭП вводят стабилизаторы – устройства, обеспечивающее малые изменения выходного напряжения.

Существуют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах напряжения используют нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ, на котором напряжение остается неизменным при изменении тока. Такой участок имеет обратная ветвь ВАХ стабилитрона.

Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне показана на рис. 9.1.9.

Здесь – среднее значение напряжения на входе стабилизатора;
– средний ток стабилитрона; – ток нагрузки.

Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться и ток стабилитрона, однако напряжение стабилитрона, а следовательно, и напряжение нагрузки будут почти постоянными.

Коэффициент стабилизации – это отношение относительного изменения входного напряжения к относительному изменению напряжения на выходе:

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора можно определить по приближенной формуле

Коэффициент полезного действия стабилизатора равен отношению мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от входного источника.

9.1.5. Рекомендации по выполнению предварительного расчета

Сопротивление нагрузочного резистора рассчитывается по формуле

Емкость сглаживающего конденсатора для однополупериодного выпрямителя (рис. 9.1.7) рассчитывается по приближенной формуле

Емкость конденсатора для двухполупериодного выпрямителя меньше в два раза:

В схеме с параметрическим стабилизатором емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по формуле

9.1.6. Рекомендации по сборке схем

3. Напряжение пробоя стабилитрона D 1 N 750 составляет 4.7 В. Для получения напряжений на нагрузке, отличных от 4.7 В, использовать схему, состоящую из последовательно включенных стабилитронов и диодов.

2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. /
Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.

4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер.
с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.

Источник

Источники вторичного электропитания

Система электропитания реализуется набором технических средств, обеспечивающих функциональные блоки и узлы РЭС стабилизированными напряжениями постоянного и переменного токов, а также осуществляющих фильтрацию сетевых и коммутационных помех, контроль и защиту силовой аппаратуры этой системы.

Но в большинстве случаев ИВЭ конструктивно выполняют как одно целое с радиоаппаратурой, получающей от него питание, что дает ряд преимуществ: единую технологию изготовления; снижение массы и габаритов РЭС в целом; повышение КПД и экономичности и др.

Но даже при «разнесенном» варианте конструктивного исполнения ИВЭ и аппаратуры РЭС, функции компонент (узлов, блоков) источника электропитания остаются неизменными. По этой причине структуры любого ИВЭ обычно рассматривают безотносительно к его конструктивному исполнению, учитывая в этой структуре лишь основные функциональные звенья и их связи.

Прежде, чем приступить к изучению основных структурных схем организации вторичного электропитания РЭС, надо уяснить различия между понятиями «источник вторичного электропитания» и «преобразователь электрической энергии»(или «электропреобразователь», или просто «преобразователь»).

Структурная схема некоторого ИВЭ, преобразующего один уровень постоянного напряжения (значение U1) к другому уровню постоянного напряжения (значение U7) представлена на рис. 1.6. Назначение элементов схемы (функциональных узлов ИВЭ) изложено ниже.

уровень постоянного напряжения

Входящий в структуру источника ИВЭ преобразователь ППН в свою очередь состоит из его основных функциональных звеньев: инвертора (И), трансформатора (Т), блока вентилей (БВ), сглаживающего фильтра (Ф).

Инвертор (И). Это устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное заданной формы (прямоугольной, синусоидальной), обычно повышенной или высокой (до 100 кГц) частоты.

В рассматриваемой нами схеме ИВЭ на рис. 1.6 инвертор следует считать функциональным узлом преобразователя ППН.

Трансформатор (Т). Это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформаторы широко используются и в системах вторичного электропитания.

В структуре ИВЭ (рис. 1.6) трансформатор является компонентом преобразователя ППН, обеспечивающим гальваническую развязку по току выходных звеньев ИВЭ от первичного источника энергии. Кроме того, трансформатор обеспечивает преобразование величины подводимого от выхода инвертора переменного напряжения (u₃) до допустимого для блока вентилей уровня (u₄).

В структуре ИВЭ трансформатор, блок вентилей (БВ), собранный по определенной схеме выпрямления и сглаживающий фильтр (Ф) в совокупности представляют собой самостоятельный преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, т.е. выпрямитель. В этом качестве преобразователи-выпрямители также используются самостоятельно как ИВЭ-выпрямители.

В рассматриваемой схеме (рис. 1.6) указанный выпрямитель нужно считать функциональным звеном (узлом) преобразователя ППН.

В заключение можно кратко подчеркнуть еще раз различия в понятиях «источник вторичного электропитания» (ИВЭ) и «преобразователь».

Как уже отмечено, в состав ИВЭ могут входить еще ряд функциональных узлов, в частности помехоподавляющие фильтры (ППФ), стабилизаторы входного (на рис. 1.6 не указан) и выходного напряжения (СН), а также вспомогательные устройства (Всп.У).

Помехоподавляющий фильтр (ППФ) обеспечивает снижение радиопомех РЭС, возникающих при питании схемы от электромашинного генератора постоянного тока, напряжение которого содержит пульсации, а также и от коммутации цепей ИВЭ.

Стабилизатор напряжения (СН) обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в заданных пределах при изменениях сопротивления нагрузки или при изменениях величины входного напряжения ИВЭВ любом ИВЭ обязательно содержатся вспомогательные устройства (Всп.У): коммутационные аппараты; регуляторы режимов работы отдельных узлов и ИВЭ в целом; схемы электрической защиты ИВЭ от перегрузок и неправильных включений; устройства, программирующие работу ИВЭ; в ряде случаев дополнительные источники питания цепей микропроцессоров (если ИВЭ выполнен с микропроцессорным управлением) и т.д.

В соответствии с основной функцией (назначением) каждого ИВЭ, его основным функциональным звеном (узлом) является и основной преобразователь, обеспечивающий реализацию данной функции ИВЭ.

Уяснив различия в понятиях «преобразователь» и «источник вторичного электропитания», можно приступить к рассмотрению основных структурных схем реализации систем вторичного электропитания.

Источник

Источники вторичного электропитания, классификация, основные параметры, линейные и импульсные источники

Источники вторичного электропитания. Классификация. Основные параметры.

Линейные и импульсные источники.

Источники вторичного электропитания представляют собой

функциональные узлы РЭА или законченные устройства, использующие

энергию, получаемую от системы электроснабжения или источника пер-

вичного электропитания и предназначенные для организации вторичного

Классификация источников вторичного электропитания. Источники

вторичного электропитания можно классифицировать по следующим па-

1. По типу питающей цепи:

1.1 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от од-

нофазной сети переменного тока;

1.2 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от

трехфазной сети переменного тока;

1.3 ИП, использующие электрическую энергию автономного ис-

точника 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 пе-

5.2 многоканальные ИП, имеющие два или более выходных на-

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 разде-

а) по характеру стабилизации напряжения:

— ИП с непрерывным регулированием;

— ИП с импульсным регулированием.

б) по характеру обратной связи:

в) по точности стабилизации выходного напряжения:

— ИП с низкой стабильностью выходного напряжения (сум-

марная нестабильность выходного напряжения более

2–5%);- ИП со средней стабильностью выходного напряжения (сум-

марная 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 элемен-

там) принято относить также аккумуляторы, хотя деление ХИТ на первич-

ные и вторичные условно (аккумуляторы могут использоваться и для од-

Параметры сети питания электроэнергией. Основные электриче-

ские параметры сети электропитания следующие:

1. Номинальное значение питающего напряжения U.

2. Относительная нестабильность питающего напряжения, характери-

зующая возможные пределы изменения его значения относительно номи-

нального – верхний предел

где Uпмакс и Uпмин – максимальное и минимальное значение напряже-

3. Внутреннее сопротивление первичного источника питания электро-

энергией и питающей сети.

4. Уровень пульсаций питающего напряжения на выходе источника

вторичного электропитания (для сети постоянного тока), который характе-

ризует амплитуду (или эффективное значение) переменной составляющей

напряжения, приложенного к ИП. Уровень пульсаций может также опре-

деляться отношением значения амплитуды (или эффективного значения)

переменной составляющей питающего напряжения к его номинальному

5. Частота, возможные искажения формы кривой питающего напря-

жения 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 перемен-

ном токе задаются максимальное, минимальное и номинальное значения

полной мощности (ввольт-амперах)S =U /Z (где U– действующее зна-

чение 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 электропи-

тания или первичного источника питания электроэнергией. Для ИП, рабо-

симальное и минимальное значения мощности, потребляемой от первич-

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 по-

стоянного тока cos ϕ =1, так как P=S.

6. Коэффициент полезного действия в номинальном режиме

где n– число выходов (выходных цепей) ИП.

Рнi. ном – номинальная мощность, передаваемая в нагрузку по i-му

Рп. ном – номинальная потребляемая мощность

7. Внутреннее сопротивление ИП, равное численному значению от-

ношения изменения выходного напряжения ∆Uвых к вызвавшему его из-

менению тока нагрузки (выходного тока) ∆Iвых (рис. 1.1.)

8. Уровень пульсаций выходного напряжения Uп и/или коэффициент

пульсаций Кп (рис. 1.2.)

Кп =Uп/Uo, где Uп, Uо – переменная и постоянная составляющие вы-

ходного напряжения. Иногда определяют Кп как отношение удвоенного

Линейные и импульсные источники вторичного электропитания.

Как отмечалось выше, стабилизированные ИП по характеру стабилизации

напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) иимпульс-

ным регулированием. Аналогично любые (стабилизированные или неста-

билизированные) ИП принято делить на линейные и импульсные.

В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразу-

ется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной

фильтрации и стабилизируется (рис.1.3.). В нестабилизированных ИП на-

грузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты.

В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирова-

ние: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регули-

рующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за

счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения

заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизи-

рованного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение Uвых

всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх, а сам

стабилизатор непрерывно рассеивает мощность Pрас≈Iвых(Uвх − Uвых), где

Iвых – выходной ток (ток нагрузки).

Импульсные ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напря-

жение питающей сети переменного тока без использования первичного си-

лового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные

вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток ком-

мутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высо-

кочастотным трансформатором, снова выпрямляется и

Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируе-

мым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по на-

пряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение

(управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений

выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 кГц и

выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного мень-

шие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты. Достоинством

импульсных ИП является высокий КПД –60–80%(КПД линейных ИП,

как правило, не превышает 40 – 50%).

Для питания РЭА используются три типа импульсных электронных

устройств, использующихся в качестве ИП: преобразователь − переменный

ток/постоянный ток (AС-DС конверторы), преобразователь – постоянный

ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь − постоянный

ток/переменный ток (DC-AC преобразователь или инвертор). Каждый тип

устройств имеет собственные определенные области применения.

Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от анало-

гичных линейных устройств могут:

1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине

2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного на-

пряжения становится противоположной полярности входного на-

DC-DC конверторы используют принцип действия импульсных ИП,

но применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напря-

жение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Такие преобразовате-

ли используются, большей частью, там, где РЭА должна питаться от хими-

ческого источника тока или другого автономного источника

Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобра-

зования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего

в систему от сетевого ИП или батареи.

Другое распространенное применение для DC-DC конверторов, это

преобразование напряжения батареи (1.5,3.0,4.5,9,12,24 В) внапряже-

ние другого номинала. При этом выходное напряжение может оставаться

достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения бата-

реи. Например, напряжение 12-ти вольтовой автомобильной аккумулятор-

ной батареи в процессе работы может изменяться в пределах от 6 до 15 В.

Сравнение импульсных и линейных ИП.

Несмотря на то, что ли-

нейные ИП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни

пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабиль-

ности по напряжению и току, малое время восстановления нормативного

уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока на-

грузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение яв-

ляются: низкий КПД, значительные масса и габариты.

Импульсные ИП находят широкое применение главным образом бла-

годаря их значительно большой удельной мощности и большой эффектив-

ности. Важным достоинством импульсных ИП является большое время

удержания, то есть время, в течение которого выходное напряжение ИП

остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения.

Особую актуальность это приобретает в цифровых вычислителях и ком-

Обобщенные результаты сравнения линейных и импульсных ИП

представлены в табл.1.1.

Элементная база ИП.

В качестве базовых электрорадиоэлементов

1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лам-

2) полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры,

3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные);

4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную

5) линейные интегральные микросхемы (операционные усилители,

усилители низкой частоты);

6) интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и им-

7) интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП

(АС-DСи DС-DС конверторы, однотактные и двухтактные

ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента мощности, спе-

циализированные схемы управления импульсными источниками

8) элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодио-

ды, аналоговые и цифровые индикаторы);

9) предохранители (плавкие, биметаллические, электронные).

Современная тенденция развития ИП такова, что они строятся в ос-

новном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных ак-

тивных элементов в них постоянно уменьшается. Уже в 1967 была разра-

ботана микросхема линейного интегрального стабилизатора µА723, пред-

ставляющая собой настоящий блок питания. Микросхема 723 содержит

температурно-компенсированный источник опорного напряжения, диффе-

ренциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзи-

стор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Со-

временные стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, име-

ют широкий спектр функциональных возможностей, но построены на тех

же принципах, что и µА723.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается боль-

шое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на

фиксированное значение напряжения, так и предназначенных для регули-

рования величины, выходного напряжения в достаточно широких преде-

лах. Например, выходное напряжение недорогой отечественной микро-

схемы 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,

1) следить за значением входного напряжения и формировать кон-

трольный сигнал, предназначенный для предупреждения об аварий-

ной просадке напряжения на входе;

2) изменять выходное напряжение и выходной ток под действием

3) совместно с резервным источником питания (аккумулятором или ба-

тареей) обеспечивать бесперебойное питание устройства, что осо-

бенно важно для микропроцессорных систем.

Интегральные АС-DС преобразователи представляют собой, по сути

дела, готовые источники питания. Например, преобразователь HV-2405E

фирмы Harris semiconductor осуществляет прямое преобразование пере-

менного тока (18 – 264 В) в постоянный (5–24 В). Выходной ток

HV-2405E может достигать 50 мА. Для превращения микросхемы в ком-

пактный, легкий, дешевый и эффективный ИП необходимо только не-

сколько недорогих внешних компонентов (не требуется никаких дополни-

тельных трансформаторов и дросселей). HV-2405E заменяет собой транс-

форматор, выпрямитель и стабилизатор напряжения.

Мощные АС-DС конверторы способны отдавать ток в нагрузку зна-

чительно 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.

Источник