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.
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.
| 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
|
В таблице 5.1 приведены справочные данные для выбора диодов выпрямителя и расчета параметров трансформатора. В Таблице 1:
Uн,
Iн – средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузке;
fс – частота питающей сети;
Uобр max – максимальное обратное напряжение на диодах;
Iпр ср –среднее значение прямого тока на диодах;
Sтр – полная мощность трансформатора;
U2 - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора;
Рн – номинальная мощность нагрузки;
fп – частота и
Кп – 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 kп.вх– коэффициент пульсаций на входе фильтра (см. Табл. 5.1), kп.ф– коэффициент пульсаций на выходе фильтра.
1. Индуктивный фильтр (рис. 5.3)
Коэффициент сглаживания (5.2),
где p – число импульсов выпрямленного напряжения (числовой коэффициент при fп в Табл.5.1). Отсюда (5.3)
2. Резистивно-емкостной фильтр (рис. 5.4)
Коэффициент сглаживания (5.4)
Отсюда (5.5)
Сопротивление фильтра необходимо выбирать в интервале 0,25Rн≤Rф≤0,65Rн. Рекомендуемое значение сопротивления фильтра Rф= 0,25Rн.
3. Индуктивно-емкостной фильтр (рис.5.5)
4.
Коэффициент сглаживания (5.6)
Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы (5.7)
Отсюда (5.8)