Источники питания. Общие сведения

).
8. Сглаживающий фильтр предназначен для снижения пульсации выпрямленного напряжения.
9. Стабилизатор постоянного напряжения - служит для поддержания постоянного напряжения на заданном уровне, при изменении сопротивления нагрузки или амплитуды питающего напряжения.
10. Нагрузка – потребитель электрической энергии.
11. Защита – отключает напряжение на нагрузке, если ток нагрузки больше допустимой величины Iнагр>Iн max или напряжение на нагрузки больше допустимого Uнагр>Uн max.
Основной характеристикой источника питания является его внешняя, выходная характеристика или нагрузочная характеристика - Uвых=f (Iвых). Идеальный источник питания имеет
Реально выходное сопротивление рассчитывается из выражения

Выпрямитель анодный

пульсации: Кпл=Um1/U0, где Um1 - амплитуда первой гармоники напряжения пульсаций.
У идеального выпрямителя коэффициент пульсации равен нулю, но такого не существует.
В зависимости от числа полупериодов используемых при выпрямлении различают следующие выпрямители:
Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис.12. ).
Принцип его работы основан на односторонней проводимости диода VD.
Среднее значение напряжения за период при однополупериодном выпрямлении составляет:
Отсюда, коэффициент пульсаций Кпл=U1m1/U0=1,57, где U1m1= U1m/2, где U1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Таким образом, коэффициент пульсаций велик, что является главным недостатком данной схемы.
Диод выбирается из следующих соотношений:
, где IДОП – максимально допустимый
ток диода, IН.max – максимальный ток нагрузки, UОБР.ДОП – максимально допустимое
напряжение на диоде.

12.2. Выпрямители

использование трансформатора (через трансформатор протекает
постоянная составляющая тока, что вызывает его подмагничивание и проводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры) и большим значение коэффициента пульсаций.
2. Двухполупериодные выпрямители.
а) Двухполупериодная мостовая схема.
Эту схему иногда называют однофазной мостовой. Она получила наиболее широкое распространение. Ее основу составляет диодный мост, состоящий из четырех диодов. Среднее значение напряжения за период при двухполупериодном выпрямлении
составляет:
Отсюда, коэффициент пульсаций Кпл=U1m1/U0=0,67, где U1m1= U1m/2, где U1m1 - амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке. Малое значение коэффициента пульсаций является преимуществом данной схемы.
Диоды мостовой схемы выбирается также как в предыдущей схеме:
где IДОП – максимально допустимый ток диода, IН.max – максимальный ток нагрузки,
UОБР.ДОП – максимально допустимое напряжение на диоде.

достоинство, а недостатком является большое число диодов, что приводит к увеличенному падению напряжения на выпрямителе.
Поэтому такие выпрямители основном применяются при выпрямлении высоких напряжений (более 5В).
б) Двухфазный двухполупериодный выпрямитель. Схема состоит из двух диодов и трансформатора со средней точкой.
Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода.
Диоды выбирается из следующих соотношений:
, где IДОП – максимально допустимый ток диода, IН.max – максимальный ток нагрузки, UОБР.ДОП – максимально допустимое напряжение на диоде.
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель применяется в источниках питания с небольшим напряжениям. Он по сравнению с однофазным мостовым выпрямителем позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери напряжения на выпрямителе.
Выпрямители без сглаживающих фильтров применяются сравнительно редко, лишь там, где пульсации напряжения на нагрузке не существенны.

сглаживающие фильтры.
Основные параметры:
Коэффициент сглаживания ,
где КПЛ.ВХ и КПЛ.ВЫХ – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.
В простейшем случае для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используется конденсатор C с
большей емкостью, который включается параллельно нагрузке (рис.12. ). Для емкостного фильтра , у которого
вход и выход фактически совпадают под КПЛ.ВХ и КПЛ.ВЫХ понимают коэффициенты пульсаций до и после
подключения фильтра.
На практике широко используют и следующие типы фильтров: RC, RL, LC типа
Г и П – образные.
Наилучшее сглаживание обеспечивает П–образный LC–фильтр.
Наличие дросселя L фильтра утяжеляет конструкцию источника питания.
Применяется редко.

12.3. Сглаживающие фильтры

при изменения постоянного напряжения на входе или при изменения тока нагрузки. Основным параметром является коэффициент стабилизации Кст, который показывает во сколько раз относительное изменение на выходе меньше относительного изменения на входе.
Кст= (ΔUвх/U0вх)/ (ΔUвых/U0вых)= К0 /КΔ, где К0= U0вых /U0вх коэффициент передачи постоянного напряжения; КΔ= ΔUвых /ΔUвх – коэффициент передачи изменения напряжений.
По принципу действия стабилизаторы делятся на параметрические (без обратной связи) и компенсационные (с регулирующей обратной связью). Компенсационные стабилизаторы в свою очередь делятся на параллельного и последовательного типа.

элементов, таких как стабилитроны и стабисторы. Их ВАХ имеет участок малой зависимости напряжения от тока, протекающего через элемент. Схема параметрического стабилизатора на стабилитроне приведена на рис.12. . Стабилитрон включен параллельно сопротивлению нагрузки Rн, а резистор Rогр называется токоограничительным. Поскольку напряжение на стабилитроне при различных токах протекающих через него изменяется незначительно то это же относится и к напряжению на нагрузке.
Основными параметрами стабилизатора являются:
- Напряжение на нагрузке Uн=Uст.ном, где Uст.ном – номинальное напряжение стабилизации стабилитрона.
- коэффициент передачи изменения напряжений КΔ= ΔUвх/ΔUвых. Для параметрического стабилизатора определяется так КΔ= ΔUвых /ΔUвх = (1+ Rогр/ Rдиф ), где Rдиф - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Обычно КΔ ≈10…15.
Например, если входное напряжение имеет ΔUв=2В, то у выходного оно составит ΔUвых ≈ 0,2 В при Kст=10.
Для уменьшения нестабильности выходного напряжения используют многокаскадные параметрические стабилизаторы.
В таких стабилизаторах выход первого каскада соединен со входом второго и е.
Параметрические стабилизаторы используются в маломощных источниках (с током 10…15мА), а также в качестве источников опорного напряжения.

счет изменения сопротивления регулирующего элемента специально вводимого в схему.
В стабилизаторе последовательного типа регулирующий элемент включается последовательно с нагрузкой (рис. 12.).
Работа стабилизатора описывается соотношением Uвых=Uвх – Uрэ.
Сопротивление регулирующего элемента, а следовательно и напряжение на нем, возрастает с увеличением напряжения на нагрузке и уменьшается при уменьшении выходного напряжения, за счет чего и стабилизируется выходное напряжение. Регулятор напряжения состоит:
1- регулирующий элемент.
2- Элемент измерения выходного напряжения. Он пропорционален выходному αUвых, где α – коэффициент передачи делителя выходного напряжения.
3- источник опорного напряжения, который создает постоянное напряжение Uоп , которое не зависит от нагрузки и входного напряжения.
4- усилитель сигнала рассогласования (ошибки). Он сравнивает два входных напряжения и вырабатывает напряжение рассогласования Uвых.оу=Коу(Uоп – αUвых), которое поступает на регулирующий элемент и изменяет его сопротивление так, что напряжение Uвых.оу=Uвых. Отсюда следует, что Uвых.=Коу(Uоп – αUвых). Разрешим последнее относительно Uвых, получим Uвых.= Uоп Коу/(1+ α Коу). Учитывая, что Коу→∞, получим Uвых.= Uоп /α. Из уравнения следует, что выходное
напряжение определяется от Uоп /α и не зависит от Uвх и Rн.

) состоит:
R1, VD1 - параметрический стабилизатор напряжения, служит для питания операционного усилителя.
R2, VD2 - параметрический стабилизатор, является источником опорного напряжения.
Операционный усилитель DA1, выполняет роль усилителя сигнала ошибки.
Транзистор VT1, выполняет роль регулирующего элемента.
Компенсационный стабилизатор параллельного типа (рис.12.) :Здесь регулирующий элемент 1 включен параллельно нагрузке.
Схема работает так, что а избыточное выходное напряжение выделяется на токоограничительном сопротивление Rогр.
Компенсационные стабилизаторы непрерывного типа обеспечивают большой коэффициент стабилизации и хорошее подавление пульсации выпрямленного напряжения. Однако они имеют малый КПД, т. к. их регулирующий элемент, транзистор, работает в активном режиме, режиме класса А и на нем выделяется значительная мощность.
Коэффициент полезного
(КПД стабилизатора составляет около 50%)

В них регулирующий элемент работает в режиме ключа за счет чего уменьшается мощность выделяемая на нем.
Схема импульсного стабилизатора напряжения и временная диаграмма, поясняющая принцип его работы приведена на рис.12. .:
Принцип работы импульсного стабилизатора основан на периодическом подключении на время Т1
источника питания Е к нагрузке Rн. При этом среднее напряжение за период составляет Uср.вых= ЕТ1/Т.
Следовательно управлять среднем значением выходного напряжения можно двумя способами: путем
изменения длительности импульса Т1 при Т=const. Это используется в так называемых импульсных
регуляторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), или путем изменения частоты импульсов f=1/Т при постоянной длительности Т1=const, - это используется в регуляторах с частотно импульсной модуляцией (ЧИМ).
Схема импульсного стабилизатора напряжения (рис. ) работает так. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с периодом Т, длительность Т1 которых зависит от напряжения на входе U1. Эти импульсы управляют состоянием ключа, периодически подключая источнике постоянного напряжения Е к сопротивлению нагрузки. Фильтр низких частот служит для создания на нагрузке среднего значения напряжения.
Источник опорного напряжения и усилитель ошибки вырабатывают сигнал для управления длительностью импульса Т1 генератора. Если выходное напряжение Uвых возрастает, то вырабатывается сигнал U1, который уменьшает длительность импульса Т1, и выходное напряжение уменьшается. Поскольку генератор работает на высокой частоте 10÷100 кГц, то емкости сглаживающего фильтра (ФНЧ) должны быть небольшими.
КПД импульсных стабилизаторов до 85%, так как регулирующий элемент работает в импульсном ключевом режиме.