Основные положения и особенности расчета вторичных источников питания.

Вторичный источник электропитания (ВИП)— это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания.

ВИП может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах — например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и т. д.), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Задачи ВИП:

· Обеспечение передачи мощности — источник питания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.

· Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.

· Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины для питания различных цепей.

· Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и т. д. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.

· Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.

· Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.

· Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.

· Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).

· Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

~

F

Rн

~Uc=U1

~U2

–Ud

–Uн

Рис. 5.1.

Две наиболее типичных конструкции ВИП — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Классическим источником питания является трансформаторный блок питания (БП) (рис. 5.1). В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель), двух диодов (двухполупериодный мостовой выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Трехфазный выпрямитель состоит из трех диодов (однополупериодный выпрямитель с нейтральным проводом) или шести диодов (двухполупериодный мостовой выпрямитель Ларионова).

На рис. 5.2 приведены схемы полупроводниковых выпрямителей.

к ФУ

к ФУ

Uc

Uc

VD1

VD2

Рис. 5.2. Схемы выпрямителей: а) - однофазная однополупериодная б) – однофазная двухполупериодная со средней точкой (с нулевым выводом); в) - однофазная мостовая; г) – трехфазная с отводом от нулевой точки; д) – трехфазная мостовая (схема Ларионова). ФУ – фильтрующее устройство

б)

в)

Тр

Тр

к ФУ

к ФУ

Uc

Uc

A

B

C

A

B

C

VD1

VD2

VD3

VD1

VD2

VD3

VD4

VD5

VD6

г)

д)

Тр

VD1

VD2

VD3

VD4

Тр

Тр

Uc

к ФУ

VD1

а)

В таблице 5.1 приведены справочные данные для выбора диодов выпрямителя и расчета параметров трансформатора. В Таблице 1: U_н, I_н – средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузке; f_с – частота питающей сети; U_{обр max} – максимальное обратное напряжение на диодах; I_{пр ср} –среднее значение прямого тока на диодах; S_тр – полная мощность трансформатора; U₂ - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора; Р_н – номинальная мощность нагрузки; f_п – частота и К_п – коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя (на входе фильтра).

 

Таблица 5.1.

Схема выпрямителя	Режим работы диодов	Параметры трансформатора	kп.вх, %	fп
Uобр max	Iпр ср	U2	Sтр
Рис.5.1 а	πUн	Iн		2,23Pн		fс
Рис.5.1 б	πUн	0,5Iн		1,48Pн		2fс
Рис.5.1 в		0,5Iн		1,23Pн		2fс
Рис.5.1 г	2,09Uн	0,33Iн		1,34Pн		3fс
Рис.5.1 д	1,05Uн	0,33Iн		1,05Pн	5,7	6fс

Основным параметром фильтра является коэффициент сглаживания: (5.1),

где k_п.вх– коэффициент пульсаций на входе фильтра (см. Табл. 5.1), k_п.ф– коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

1. Индуктивный фильтр (рис. 5.3)

Рис. 5.3.

Rн

Lф

Коэффициент сглаживания (5.2),

где p – число импульсов выпрямленного напряжения (числовой коэффициент при f_п в Табл.5.1). Отсюда (5.3)

2. Резистивно-емкостной фильтр (рис. 5.4)

Рис. 5.4.

Rн

Rф

Cф

Коэффициент сглаживания (5.4)

Отсюда (5.5)

Сопротивление фильтра необходимо выбирать в интервале 0,25R_н≤R_ф≤0,65R_н. Рекомендуемое значение сопротивления фильтра R_ф= 0,25R_н.

3. Индуктивно-емкостной фильтр (рис.5.5)

4.

Рис. 5.5.

Rн

Lф

Cф

Коэффициент сглаживания (5.6)

Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы (5.7)

Отсюда (5.8)