Структуры вторичных источников питания

Вторичные источники питания (ВИП) предназначены для преобразования сетевого напряжения в постоянные напряжения, необходимые для непосредственного питания электронных устройств. Вторичные источники питания получают энергию от первичных источников, вырабатывающих электричество (от генераторов переменного или постоянного тока, аккумуляторов и т. д.)

Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники. Надежность функционирования того или иного электронного устройства, как правило, существенно зависит от того, насколько надежен его источник питания.

Наиболее распространенными являются две структурные схемы ВИП: аналоговая (ВИП без преобразования частоты) и импульсная (ВИП с преобразованием частоты).

Рассмотрим типовые структурные схемы источников питания, получающих энергию от промышленной сети с частотой 50 Гц.

Структурная схема аналогового ВИП представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Структурная схема аналогового вторичного источника питания

Трансформатор предназначен для преобразования сетевого переменного напряжения в переменные напряжения требуемых уровней. Одновременно трансформатор обеспечивает гальваническую развязку питающей сети и нагрузки. В общем случае трансформатор может быть понижающим, повышающим или универсальным (то есть иметь как повышающие, так и понижающие обмотки).

Выпрямитель преобразует переменное разнополярное напряжение в пульсирующее однополярное (положительной или отрицательной полярности). Напряжение на выходе выпрямителя содержит постоянную составляющую (среднее значение напряжения за период) и бесконечное число гармоник с частотами, кратными частоте пульсирующего напряжения. Отклонение выходного напряжения выпрямителя от его среднего значения называется пульсацией. Частота пульсаций равна частоте первой гармоники.

Фильтр предназначен для выделения постоянной составляющей из выходного напряжения выпрямителя и подавления гармоник. Таким образом, с помощью фильтра обеспечивается уменьшение пульсации напряжения, поступающего с выхода выпрямителя.

Стабилизатор напряженияпредназначен для поддержания на заданном уровне выходного постоянного напряжения (стабилизации напряжения) при изменении напряжения сети (которое, в общем случае, может изменяться в диапазоне (+15... – 20)% от номинального значения, равного 220 В) и тока в нагрузке. Кроме этого стабилизатор обеспечивает дальнейшее уменьшение уровня пульсации.

Основным достоинством аналоговых ВИП является простота их реализации. Наряду с этим аналоговые ВИП имеют и существенный недостаток. Наличие громоздкого сетевого трансформатора и электролитических конденсаторов в фильтре с большими линейными размерами приводит к ухудшению их массогабаритных показателей. По этой причине в последнее время аналоговые ВИП применяют достаточно редко. Им на смену пришли импульсные вторичные источники питания. Они, в частности, находят применение в блоках питания компьютеров, телевизионных приемников и другой аппаратуры бытового и промышленного назначения.

Структурная схема импульсного ВИП представлена на рисунке 4.2.

В импульсных ВИП напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1. На выходе фильтра 1 формируется напряжение (высокого уровня), близкое к постоянному (содержит пульсации), которое далее вновь преобразуется в переменное с помощью так называемого инвертора. Инвертор представляет собой высокочастотный импульсный генератор с самовозбуждением, нагрузкой которого является импульсный трансформатор, либо мощный трансформаторный усилительный каскад, управляемый задающим импульсным генератором. Частота переменного напряжения на выходе инвертора составляет десятки килогерц (обычно используют частоты в диапазоне 15 … 50 кГц).

Рисунок 4.2 – Структурная схема импульсного вторичного источника питания

Переменное напряжение с выхода инвертора поступает на трансформатор, на вторичных обмотках которого формируются переменные напряжения, величины которых зависят от требуемых уровней постоянных выходных напряжений. Поскольку трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его вес и габариты существенно ниже, чем в схеме аналогового ВИП.

Переменное напряжение с выхода трансформатора далее поступает на схему преобразования его в постоянное напряжение заданного уровня, состоящую из выпрямителя 2 и фильтра 2.

Назначение основных функциональных узлов рассмотренной схемы аналогично назначению соответствующих функциональных узлов аналогового ВИП.

Инвертор, трансформатор и выпрямитель 2 образуют конвертор – устройство для изменения уровня и стабилизации постоянного напряжения. В качестве активных приборов в инверторе используются транзисторы (биполярные или полевые). Они работают в ключевом режиме (то есть транзистор или включен и находится в режиме насыщения, или выключен и находится в режиме отсечки).

Для более качественной стабилизации выходного напряжения после сглаживающего фильтра 2 может быть включен стабилизатор напряжения.

Рассмотрим принципы построения и функционирования отдельных элементов структурных схем вторичных источников питания.