Источники питания

Раздел 10 Преобразовательные устройства

Работа схемы

В исходном состоянии RS-триггер сброшен в «0» (Q=0, Q =1), счётчик обнулён и на выходе дешифратора уровень «1».

При срабатывании путевого выключателя S1 на вход установки «S» триггера DD1 подаётся импульс и триггер устанавливается в единичное состояние (Q=1, Q=0). Это обеспечивает наличие на 1-м входе ИМС DD2 уровень «1», на 2-й вход также поступает «1» с выхода, что позволяет проходить прямоугольным импульсам с мультивибратора на вход «С» счётчика DD3.

По приходу определённого числа импульсов на выходах счётчика установится цифровой код, при котором на выходе дешифратора появится уровень «0». При этом дальнейший подсчёт импульсов прекратится, т. к. на 2-й вход элемента «И» поступит уровень «0». Для возврата схемы в исходное состояние служит выключатель S2, при замыкании которого на вход сброса «R» триггера подаётся уровень «1» и счётчики обнуляются.

Время срабатывания реле (реле с выдержкой на размыкание) определяется необходимым количеством импульсов для задания требуемого цифрового кода на входах дешифратора и частотой следования импульсов, т.е. частотой мультивибратора.

Алгоритм и пример расчёта

Исходные данные: t_уст = 0,019 с f₀ = 1 кГц

1) Рассчитываем требуемое число импульсов n

n = f₀ · t_уст n = 0,019 · 1000 = 19

2) Переводим полученное число импульсов в двоичную систему счисления

19 ₁₀ = 1 ⁴ 0 ³ 0 ² 1 ¹ 1 ⁰

Количество разрядов двоичного числа определяет необходимую разрядность счётчика. Т.к. числю разрядов 5, а используемые в схеме ИМС счётчиков четырёхразрядные, необходимо два счётчика, соединённых последовательно.

3) Определяем количество единичных разрядов в двоичном числе. Количество разрядов соответствует количеству входов дешифратора.

В числе 10011 три единичных разряда. Те выходы счётчика, на которых при подсчёте 19-го импульса устанавливается уровень «1», соединяются со входами дешифратора. При этом по приходу 19-го импульса на выходе дешифратора установится уровень «0».

В случае превышения числа единичных разрядов свыше 8, устанавливается две микросхемы дешифратора.

4) В соответствии с расчётом строим схему электронного реле.

5) Отчёт по работе должен содержать:

- расчёт реле времени с приведением подробного перевода числа импульсов в двоичную схему;

- чертёж рассчитанного реле времени.

В соответствии с номером по списку в учебном журнале задаёмся исходными данными для расчёта из таблицы 9.

Таблица 9 – Варианты заданий (значения t_уст и f₀)

№	Время установки tуст, с.	Частота мультивибратора f0, кГц	№	Время установки tуст, с.	Частота мультивибратора f0, кГц

Из всех видов энер­гии, наиболее широкое применение в настоящее время, имеет электрическая энергия, так как по сравнению с другими видами энергии (механической, тепловой, ядерной и др.) она обладает важными преимуществами:

- ее можно передавать на большие рас­стояния;

- достаточно просто распределять по потребителям;

- просто из­менять параметры (значение напряжения, число фаз и пр.);

- преобразовывать в механическую, тепловую и другие виды.

Преобладающая часть электрической энергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях враща­ющимися электрическими машинами, которые генерируют трех­фазное переменное напряжение частотой 50 Гц. Переменный ток находит широчайшее применение на промышленных предприя­тиях, в сельском хозяйстве и быту.

Однако в ряде важных областей техники нельзя обойтись без постоянного тока, основными потребителями которого являют­ся электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов; установки электро­химического покрытия металлом поверхности другого металла для повышения коррозионной стойкости, твердости и т.д., например никелирование и хромирование железа и пр.; устрой­ства для зарядки аккумуляторных батарей; двигатели постоян­ного тока на промышленных предприятиях и в электрифициро­ванном транспорте.

В настоящее время все более широкое применение получает переменный ток частотой 400-2500 Гц для питания электроин­струмента, высокоскоростных асинхронных двигателей и др. Применение повы­шенной частоты позволяет значительно снизить массу электро­магнитных устройств трансформаторов, электродвигателей и др.

Указанные факторы обусловливают необходимость преобразо­вания переменного тока в постоянный, изменения частоты тока, а порой приходится преобразовывать постоянный ток в перемен­ный, например, при рекуперативном торможении двигателей постоянного тока.

В настоящее время постоянный ток получают, как правило, непосредственным выпрямлением переменного тока с помощью электрических вентилей.

Источники питания предназначены для создания напряжений и токов, необходимых для питания электронной аппаратуры.

Источник питания иногда называют преобразователем, а процесс - преобразованием электроэнергии.

Источники питания относятся к силовой электронике - приборам, в которых электронные схемы используются для управления и преобразования электроэнергии.

Различают первичные и вторичные источники питания. Первичные – непосредственно преобразуют какой-либо вид энергии (механическую, внутреннею, химическую, тепловую, солнечную и т.д.) в электрическую. К первичным источникам относятся турбогенераторы, химические источники тока (батареи, аккумуляторы), термопары, солнечные батареи и д.р.

Вторичные источники питания осуществляют преобразование энергии первичного источника в необходимые величины питающего напряжения (тока). В стационарной аппаратуре источником чаще всего является сеть переменного тока напряжением 220 В, в переносной - химические источники тока.

Источники питания должны обеспечивать:

- допустимый уровень переменных составляющих в выходном постоянном напряжении;

- стабильность выходного напряжения (или тока) при измене­нии напряжения сети или тока нагрузки;

- заданную экономичность;

- устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям выход­ных зажимов;

- работоспособность в определенном диапазоне температур.

Функциональная схема источника питания классического типа показана на рис. 75.

Рисунок 75 - Функциональная схема источника питания

Трансформатор Т служит для преобразования пере­менного напряжения U₁ сети в необходимое напряжение U₂ и, кроме того, для гальванической развязки источника питания от сети.

Выпрямитель В, состоящий из выпрямительных дио­дов, преобразует переменное напряжение U₂ в постоянное пуль­сирующее напряжение U₃, а сглаживающий фильтр СФ преоб­разует его в постоянное напряжение U₄ с небольшими пульса­циями. Напряжение U₄, может быть использовано для питания каскадов аппаратуры, нормально работающих и при пульсациях (например, оконечных каскадов усилителей мощности звуковой частоты).

Стабилизатор напряжения СН предназначен для окончательного сглаживания пульсаций, а также создания на­пряжения U_Rн, которое мало зависит от напряжения U₁ сети и тока I_н нагрузки.

Для защиты выпрямителя от поврежде­ний при аварийных режимах в его схему может входить блок за­щиты и сигнализации. В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутство­вать отдельные элементы, например фильтр при работе выпря­мителя на нагрузку индуктивного характера или силовой тран­сформатор в случае бестрансформаторного включения выпря­мителя, что может иметь место в мостовых схемах выпрям­ления.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназ­наченное для преобразования электрической энергии переменно­го тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоян­ным током, а источником электрической энергии является ис­точник переменного тока, например промышленная сеть часто­той 50 Гц.

Выпрямители классифицируются:

- по числу фаз первичной обмотки трансформатора - однофазные и трехфазные;

- по числу выпрямленных полупериодов - однополупериодные и двухполупериодные;

- по принципу регулирования выпрямленного напряжения – управляемые и неуправляемые;

- по мощности – малой (до сотен ватт), средней (до 5 кВт), большой (свыше 5 кВт).

В настоящее время разра­ботано и применяется на практике много схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Выбор той или иной схемы оп­ределяется свойствами применяемых вентилей (обычно полупроводниковых диодов и тиристоров) и условиями работы выпрямителя.

Импульсный источник питания - это источник питания, в котором питание нагрузки осуществляется через компоненты с малыми потерями (конденсаторы, индуктивности и трансформаторы) и в которых используются переключатели с двумя состояниями - «включено» или «выключено». Преимущество состоит в том, что в любом из этих двух состояний переключатель рассеивает очень малую мощность, и ее преобразование может происходить с минимальными потерями, то есть с высокой эффективностью.

В импульсных источниках осуществляется повышение частоты переменного тока, что дает ряд существенных преимуществ.

Рассмотрим работу основных схем выпрямления однофазного и трехфазного тока, предполагая для простоты расчетов параметров и облегчения пони­мания физической сущности процессов в элементах схем, что выпрямитель работает на активную нагрузку и состоит из иде­альных вентилей и трансформаторов, в которых можно пренеб­речь падениями напряжения, а также обратными токами венти­лей, индуктивностями и намагничивающим током трансформа­тора.

Основными элементами, параметры которых подлежат расче­ту в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчете служат вы­прямленные напряжения U_d (напряжение в нагрузке U_н) и ток I_d (ток в нагрузке I_н), а также действующее значение напряжения питающей сети U₁.