Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств.
На рис. 14.1 приведена структурная схема источника питания без преобразователя частоты.
Рис. 14.1. Типовая схема вторичного источника питания
Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения.
Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее).
Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжений на выходе выпрямителя.
Стабилизатор уменьшает изменения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой. Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне +15…-20 %.
Для уменьшения веса и габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра, работающих на частоте 50 Гц, используют источник питания с преобразователем частоты (рис. 14.2).
|
|
Рис. 14.2. Структурная схема вторичного источника питания
с преобразователем частоты
В источниках электропитания такого типа напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1 и через сглаживающий фильтр 1 постоянное напряжение подается на инвертор, который вновь преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты (десятки килогерц). Трансформатор, работающий на повышенной частоте, имеет меньшие вес и габариты. Вес и габариты сглаживающего фильтра 2 также незначительны.
В такой схеме инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения.
Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты.
Рассмотрим основные элементы структурной схемы вторичного источника питания с преобразователем частоты.
Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, приведенную на рис. 14.3, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 14.3, б).
Основные параметры однополупериодного выпрямителя:
· среднее значение выходного напряжения
, где ;
· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя
;
· коэффициент пульсаций выходного напряжения
.
б
Рис. 14.3. Однополупериодная схема выпрямителя
Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи.
|
|
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 14.4, а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 14.4, б).
б
Рис. 14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Основные параметры такого выпрямителя:
· среднее значение выходного напряжения
,
где U2 – действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки, U2≈1,11·Uср;
· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ;
· коэффициент пульсаций выходного напряжения
.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется в технике. Недостаток – необходимость двойного количества витков во вторичной обмотке трансформатора.
Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 14.5, а) можно считать пределом совершенства бестрансформаторных выпрямителей. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D1 и D2, а другая – D3 и D4.
а
Рис. 14.5. Однофазный мостовой выпрямителя
Основные параметры такого выпрямителя:
· среднее значение выходного напряжения
,
где Uвх ≈ 1,11·Uср;
· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ;
· коэффициент пульсаций выходного напряжения
.
Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.
Рис. 14.6
Сглаживающие фильтры. Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S.
По определению S=ε1/ε2, причем ε1 и ε2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.
Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 14.6). Емкостной фильтр подключается параллельно нагрузке (рис. 14.6, а).
На отрезке времени t1…t2 диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 14.6, б). На отрезке t2…t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени τ = Rн·С. Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1…t2). Чем короче отрезок t1…t2, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1…t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя.
Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.
На практике используют также следующие фильтров (рис. 14.7): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RC-фильтр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RC-фильтр (г).
Рис. 14.7. Схемы фильтров, применяемых в выпрямителях
Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике в силовых цепях применяются другие, более сложные фильтры.
Инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный (рис. 14.8), где имеет место соотношение uc1 = uc2 =1/2 uвх. В схеме часто используются электролитические конденсаторы большой емкости.
Рис. 14.8. Инвертор на биполярных транзисторах
Транзисторы работают в ключевом режиме: включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.
|
|
Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они построены на основе однополупериодных (незапираемых) тиристоров (рис. 14.9).
Рис. 14.9. Однофазный двухполупери- Рис. 14.10. Временная диаграмма
одный управляемый выпрямитель
Включение тиристоров производится с некоторой задержкой tвкл (рис. 14.10). Угол αвкл=ω·tвкл – угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления. Угол αвкл называют углом управления, который может изменяться в пределах от 0 до 180°.