Источники вторичного электропитания (ИВП)

Источники вторичного электропитания – это электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, в электрическую энергию с заданными техническими характеристиками. Первичными источниками электропитания могут быть: промышленная сеть переменного тока, автономные источники переменного или постоянного тока, аккумуляторы, химические батареи и т.д. К источникам вторичного напряжения относятся, как правило, источники постоянного тока для питания электронной аппаратуры. В общем случае ИВП состоят из нескольких функционально законченных блоков, а именно: трансформатора для согласования напряжений, выпрямителя, сглаживающего фильтра, стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжения в ряде случаев может отсутствовать. На рисунке 95 приведены структурные схемы ИВП.

Рис. 95. Структурные схемы ИВП.

Наиболее распространена схема (а), которая включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Схема отличается простотой и надежностью, однако имеет большие массогабариты из-за размеров силового трансформатора. Этот недостаток отсутствует у схемы, изображенной не рисунке (б), в которой первичное напряжение (сеть) сначала выпрямляется и поступает на генератор высокой частоты (30¸100) кГц. Генератор нагружен на трансформатор и далее, как и в схеме (а), идут выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Благодаря высокой частоте размеры и вес трансформатора и фильтров будут значительно меньше. Существуют другие структурные схемы ИВП.

К основным параметрам ИВП относятся: номинальные уровни входного Uвх.ном. и выходного Uвых.ном. напряжений; предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений; коэффициенты нестабильности выходного напряжения и тока:

где Uвх –изменение входного напряжения, Uвых – изменение выходного напряжения, Iвых – изменение выходного тока;

выходная мощность (или выходной ток);

коэффициент пульсации

где Umi – амплитуда основной гармоники выпрямительного тока.

Выпрямители предназначены для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В зависимости от источника первичного электропитания выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Кроме того, выпрямители могут быть однополупериодные и двухполупериодные. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 96.

Рис. 96. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временная диаграмма его работы (б).

На вход выпрямителя поступает синусоидальное напряжение … В интервале

времени от 0 до T/2 диод открыт и ток в нагрузке повторяет форму входного согнала. В интервале времени от Т/2 до Т диод VD закрыт. Средний выпрямительный ток в нагрузке Uн.ср. равен:

Учитывая, что

,

имеем Uн.ср=0,45Uдейст..

Аналогично получим Iн.ср.=0,318Imax=0,45Iдейст..

Однополупериодные выпрямители отличаются простотой, но имеют низкую эффективность и высокий коэффициент пульсации. Частота пульсаций равна частоте выпрямляемого напряжения.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя приведена на рисунке 97.

Рис. 97. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней

точкой (а) и мостового (б) и его диаграмма работы (в).

Здесь диоды работают попеременно в каждый полупериод. Средний выпрямительный ток в нагрузке равен:

Частота пульсации здесь в два раза выше, а коэффициент пульсации в два раза меньше e=0,67.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.97 а) имеет два диода, однако требует двух обмоток трансформатора. Кроме того, обратное напряжение на диодах равно удвоенному максимальному входному напряжению Uобр.диода=2Umax. Эти недостатки отсутствуют у мостовой схемы (рис.97 б), но здесь четыре диода и КПД такого выпрямителя ниже.

Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 98.

Рис. 99. Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схема Ларионова)

Схема содержит 6 диодов. Для обеспечения тока в нагрузке в схеме Ларионова используются обе полуволны питающего трехфазного напряжения. Поэтому выпрямленное напряжение Uн отличается более высоким качеством.

Для рассматриваемого выпрямителя:

Частота переменной составляющей выходного напряжения в шесть раз превосходит частоту входного сигнала. Коэффициент пульсации выходного напряжения e=0,057.

Фильтры

Фильтры применяются для уменьшения напряжения пульсации на выходе выпрямителя. В настоящее время наиболее распространенными являются: емкостной фильтр, индуктивный фильтр и П-образный фильтр.

Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке. Для фильтра необходимо выполнить условие:

;

где wc – сопротивление емкости.

Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты, включенный между выпрямителем и нагрузкой. Для обеспечения большого коэффициента сглаживания необходимо, чтобы X_L >> R_Н . Недостатком индуктивного фильтра являются большие габариты и вес дросселя.

Г-образный фильтр сочетает в себе свойства индуктивного и емкостного фильтров. Его можно рассматривать как делитель напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Для фильтра необходимо, чтобы

.

Г-образные фильтры применяются в выпрямителях большой и средней мощности.

П-образные фильтры применяются в выпрямителях с большим внутренним сопротивлением. Они сложные, дорогие, но обеспечивают высокий коэффициент сглаживания.

а) б) в) г)

Рис. 100. Варианты сглаживающих фильтров: емкостной (а), индуктивный (б), Г- образный (в), П- образный(г).