Разработка электронной схемы блока питания

Исходя из заданных требований к разрабатываемому источнику питания, вполне оправданным является использование типичного линейного ИП. Разработаем структурную схему и дадим разъяснение блокам структурной схемы.

Структурная схема линейного ИП изображена на рисунке 5,содержит в своем составе:

– сетевой понижающий трансформатор Тр;

– выпрямитель В;

– фильтр Ф;

Ст

– стабилизатор Ст.

Рисунок 5 – Структурная схема линейного ИП

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий электрическую энергию переменного тока одной системы в электрическую энергию переменного тока другой системы с иными параметрами.

Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких электрически несвязанных и неподвижных друг относительно друга обмоток. Если одну из обмоток присоединить к сети переменного тока, то под действием переменного магнитного поля в другой обмотке, магнитно связанно с первой, индуцируется ЭДС. Для улучшения магнитной связи между обмотками служит стальной магнитопровод, собранный из пластин специальной электротехнической стали [1].

По своей конструкции маломощные трансформаторы весьма разнообразны. Их можно различать по сердечнику, обмотке, особенности конструкции.

Материалом сердечника силовых трансформаторов обычно является листовая электротехническая сталь различных марок и толщины. Уменьшение толщины листа приводит к уменьшению потерь от вихревых токов. При увеличении содержания кремния в стали также снижаются потери мощности на вихревые токи и гистерезис в сердечнике трансформатора.

Рисунок 6 – Сердечники трансформаторов

На рисунке 6 приведены сердечники трансформаторов броневого (а, б) и стержневого (в) типов. Участки 1 сердечника, на которых размещены обмотки трансформаторов, называются стержнями, а участки 2, свободные от обмоток и соединяющие стержни в единую конструкцию, называются ярмами.

Наиболее распространенным сердечником в трансформаторах малой мощности является броневой. Этот сердечник обычно наби­рается из отдельных Ш-образных пластин, полученных штамповкой. Для уменьшения вихревых токов пластины изолируются друг от друга слоем лака или оксидной пленкой.

В броневых сердечниках обмотка размещается на среднем стерж­не. Магнитный поток при этом разветвляется на правую и левую части, и, таким образом, в крайних стержнях его величина будет в 2 раза меньше, чем в среднем. Поэтому сечение крайних стержней вдвое меньше сечения среднего [2].

Выпрямителями называют устройства, предназначенные для пре­образования переменного тока в постоянный (выпрямления перемен­ного тока), которые служат источниками питания электронных схем автоматики, регулируемого привода и автоматических систем управ­ления технологическими процессами. В зависимости от используе­мых элементов различают полупроводниковые (диодные или тиристорные) и кенотронные, газотронные и тиратронные выпрямители. В зависимости от числа фаз, а также характера нагрузки вы­прямителя и требований к пульсации выпрямленного тока схемы вы­прямления бывают однофазные, трехфазные и многофазные и отличаются количеством плеч. Под плечом понимают совокупность обмотки трансформатора и включенных последовательно с ней выпрямляющих приборов. На рисунке 7 изображены наиболее распространенные схемы выпрямителей [2].

а – однофазная однополупериодная схема; б – однофазная двухполупериодная схема; в – однофазная мостовая схема выпрямления

Рисунок 7 – Схемы выпрямителей

В однофазной однополупериодной схеме (а) используется только часть мощности трансформатора, выпрямленное напряжение имеет большую переменную составляющую, к диоду приложено высокое обратное напряжение и, следовательно, выпрямитель обладает низким кпд.

Основным преимуществом однополупериодной схемы является простота. К недостаткам можно отнести: большие габариты и масса трансформатора, большой коэффициент пульсаций.

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (б) имеет следующие преимущества по сравнению с однополупериодной: меньшие габариты трансформатора, в два раза меньший ток, текущий через вентиль, частота пульсаций выпрямленного напряжения вдвое меньше, что приводит к уменьшению габаритов сглаживающего фильтра. Недостатки – необходимость среднего вывода обмотки трансформатора, использование 2 вентилей вместо одного.

Однофазная мостовая схема выпрямления (в). К преимуществам этой схемы можно отнести следующие: малая мощность трансформатора, его малые габариты и масса, малое обратное напряжение на вентиле. К недостаткам данной схемы можно отнести: использование четырех вентилей вместо одного или двух, большое внутреннее сопротивление выпрямителя [3].

Пульсации выпрямленного напряжения ухудшают или делают совершенно невозможной работу радиоэлектронных устройств. Так, например, пульсации выходного напряжения выпрямителей, пи­тающих каскады передатчиков, приемников, усилителей, являются причиной фона – звуковых колебаний с частотой пульсаций. В элек­тронно-лучевых трубках пульсации могут вызывать периодическое изменение яркости свечения, появление на экране трубки сетки, полос и т. д. Наличие пульсаций может привести к ложному сраба­тыванию автоматических устройств и механизмов. Поэтому на вы­ходе выпрямителя необходим сглаживающий фильтр, доводящий пульсации выпрямленного напряжения до допустимой величины, практически не влияющей на работу радиоэлектронных устройств.

Кроме основного требования – обеспечения необходимого сглаживания, к фильтру предъявляется еще ряд дополнительных:

– фильтр не должен вносить заметных искажений в работу нагрузки, что особенно важно при импульсном характере нагрузки;

– фильтр не должен создавать значительных перенапряжений, бросков тока при включении и выключении выпрямителя или его нагрузки, во избежание возникновения резонансных явлений, приводящих к резкому возрастанию пульсаций выпрямленного напряже­ния;

– собственная частота фильтра в целом и отдельных его зве­ньев должна резко отличаться от основной частоты пульсаций, потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре, должны быть минимальными;

– высокая надежность работы, малые габариты, масса и стоимость.

Основными видами фильтров являются индуктивный, емкостный и емкостно-индуктивные, которые в свою очередь делятся на Г-образные, П –образные и многозвеньевые и представляют собой комбинацию индуктивных и емкостных фильтров (рисунок 8).

а – индуктивный; б – емкостный

Рисунок 8 – Основные виды фильтров

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на нагрузке с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока), являются: колебания питающих напряжений, изменения потребляемой нагрузкой мощности, колебания частоты сети переменного тока и т.д.

При изменениях напряжения сети и тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя изменяется, причем иногда значительно. В ряде случаев это вполне допустимо, а вот, скажем, для радиоприемников, генераторов и других радиоэлектронных устройств напряжение должно быть стабильным при изменении тока нагрузки. Здесь без стабилизатора не обойтись [1].