Материал: Источники питания РЭА

Основными элементами устройства являются: силовой трансформатор, блок выпрямления, фильтр низкой частоты Ф2 и стабилизатор постоянного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают характеристики ИП и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы вышеприведенной структуры.

Гаситель переходных процессов. ГПП - это устройство, которое проводит ток как только напряжение на его выходах превосходит определенный предел (действует как двухсторонний высоковольтный стабилитрон). ГПП компактны, дешевы и способны гасить опасные импульсы тока в десятки и сотни ампер. Например ГПП фирмы Siemens S07K130 и S20K130 рассчитаны на пиковый ток 500 и 4000 А соответственно и переходят в проводящее состояние в случае, если действующее значение напряжения на их выводах превышает 130 В.

Фильтры. В качестве фильтра Ф1 используется простой линейный LC-фильтр. Часто в ИП фильтр Ф1 препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях ИП. Фильтр Ф1 и ГПП довольно успешно противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока. Практика показывает, что в сетях 110 и 220 В 50 Гц возможны кратковременные выбросы напряжения до 1 – 5 кВ. Типовая схема фильтра Ф1 показана на (рис. 2.2).

Рис.2.2. Линейный сетевой фильтр фирмы Corcom.

Обычно такие фильтры рассчитаны на ток величиной несколько ампер и подавление помех порядка десятков децибел. Фильтр 3EDSC2-2 фирмы Corcom подавляет помехи на 30–40 дБ и через него может проходить ток величиной до 3А. Фильтр 200JM6-2 фирмы Sprague рассчитан на ток до 6А, но подавляет помехи хуже (12–25 дБ).

Фильтр низкой частоты Ф2 предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Обычно это самый простой RCфильтр с частотой среза порядка единиц герц. Чем ниже частота среза, тем эффективнее фильтр. Более подробно фильтры рассмотрены в п. 2.2. «Неуправляемые выпрямители».

Стабилизаторы. Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных ИП используется редко.

Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми простыми устройствами являются

параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах). Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. Как уже отмечалось, в качестве таких стабилизаторов часто используются интегральные схемы с очень хорошими параметрами.

Силовой трансформатор. В большинстве ИП используют один или несколько трансформаторов. СТ в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. Бестрансформаторные источники питания ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению, например, водопроводным трубам и системам центрального отопления. Это создает потенциальную опасность, главным образом, для человека, эксплуатирующего устройство. При проектировании ИП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Отечественной промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания:

1) анодные (ТА) и накальные (ТН);

2)аноднонакальные (ТАН);

3)для питания устройств на полупроводниковых (ТПП)

4)силовые (ТС).

Можно приобрести готовые трансформаторы и зарубежных фирм, на-

пример, Signal Transformer Company.

Принципиальная электрическая схема широко используемых трансформаторов ТПП приведена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Принципиальная электрическая схема трансформаторов ТПП на напряжении 127 и 220 В

Как следует из принципиальной схемы, трансформаторы имеют шесть вторичных обмоток: четыре рабочих (11-12, 13-14, 15-16, 17-18) и две компенсационных (19-20, 21-22). Первичная обмотка разделена на две секции, каждая из которых имеет по пять выводов. Подключение первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением 220 В показано на рис. 2.4. Как видно из представленных схем, часть витков первичной обмотки остается незадействованной. Дополнительные витки могут использоваться для изменения коэффициента трансформации. Увеличивая число витков первичной обмотки (повышая коэффициент трансформации) можно в небольших пределах уменьшить напряжения вторичных обмоток.

У большинства трансформаторов ТПП все три пары вторичных обмоток (11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22) могут быть включены параллельно (попарно).

При выборе СТ необходимо учитывать следующие основные моменты:

1) мощность СТ должна быть не менее мощности, потребляемой нагрузкой (необходимо предусмотреть некоторый запас),

2)напряжение первичной обмотки (с учетом подключения ее выводов) должно соответствовать напряжению питающей сети,

3)в стабилизированных ИП напряжение вторичной обмотки должно

быть таким, чтобы на входе стабилизатора С2 минимальное значение постоянного напряжения превышало значение выходного напряжения (минимум на 3 – 5 В). Это связано с тем, что, во-первых, на ли-

нейном стабилизаторе должно быть падение напряжения 0,6 – 3 В, во-вторых, возможны периодические «просадки» напряжения питающей сети. В тоже время запас по напряжению не должен быть большим, так как в этом случае уменьшается КПД источника питания за счет увеличения бесполезно рассеиваемой мощности линейным стабилизатором;

4)при необходимости регулирования выходного напряжения можно использовать СТ с несколькими вторичными обмотками (рис.2.7).

К

Регулировка

Переключение выходного диапазона напряжения

Рис.2.7. Источник питания с дискретно изменяемым напряжением на входе блока выпрямления.

Как следует из структурной схемы, на вход блока выпрямления БВ подается дискретно изменяемое напряжение вторичной обмотки. Переключение напряжения производится коммутатором К, который может управляться как вручную, так и сигналами, формируемыми специальной схемой управления в зависимости от требуемого уровня выходного напряжения.

Блок выпрямления. В качестве выпрямителей используются вен- тили–устройства, пропускающие ток в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды. Более подробно схемы выпрямления переменного тока рассмотрены в п. 2.2 «Неуправляемые выпрямители».

Предохранители. Защищают ИП и подключенную к нему нагрузку от сильных токов, появление которых возможно при выходе из строя как самого ИП, так и нагрузки. В качестве предохранителей используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые).

Одной из самых распространенных неисправностей ИП является пробой конденсатора фильтра Ф2. При этом ток в первичной обмотке трансформатора может достичь нескольких ампер (вместо 0,1 – 0,5 А в нормальном режиме). При этом СТ, включенный в сеть переменного тока 220 В, будут рассеивать мощность соизмеримую с мощностью бытового электронагревателя.

Наибольшее распространение в качестве предохранителей получили плавкие вставки. Целесообразно выбирать предохранитель на ток, превышающий номинальный примерно на 50%. Это связано, во-первых, с периодически возникающими бросками токов переходных процессов при включении (заряд конденсатора фильтра Ф2), во вторых с «усталостью» предохранителя.

Нагрузка. В состав ИП не входит. Однако определяет большинство требований, предъявляемых к нему, и в первую очередь:

-выходное (-ые) напряжение (напряжения);

-выходной (-ые) ток (токи);

-стабильность и пульсации выходного (-ых) напряжения (напряжений);

-вид защиты выхода источника питания.

2.2 Неуправляемые выпрямители

Выпрямители – это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается однонаправленное протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения используется фильтр. Для регулирования и (или) стабилизации выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают регулятор или стабилизатор.

Структурная схема выпрямителя без регулировки выходного напряжения приведена на рис 2.8.

Такие выпрямители используются:

-для питания электронных устройств некритичных к колебаниям питающего напряжения и уровню пульсаций;

-как функциональные силовые узлы стабилизированных источников питания, в том числе достаточно сложных и дорогих.