Предисловие (стр. 17 )

Если источники и приемники сигналов могут меняться местами, то коммутатор должен быть двунаправленным, т. е. обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях. Такая проблема возникает, например, при записи аналоговых сигналов в устройстве памяти, которое в этом случае является приемником информации, и считыванием сигналов из устройства памяти, которое становится тогда источником сигнала.

Многоканальные коммутаторы представляют собой интегральные микросхемы, имеющие много входов для аналоговых сигналов и один выход, на который можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов. Коммутаторы состоят из набора ключей, устройства управления этими ключами и выходного согласующего каскада. Такие коммутаторы выпускают в виде самостоятельных микросхем или входят в состав более крупных микросхем, называемых системами сбора данных. Кроме коммутаторов в состав систем сбора данных входят устройства, обеспечивающие обработку поступающей информации. Практически все современные системы сбора данных ориентированы на работу совместно с микропроцессорами. Такие микросхемы предназначены для работы с источниками потенциальных сигналов, например, с температурными датчиками, датчиками промышленных установок и др.

2.4. Источники вторичного электропитания

Для любого электронного устройства необходим источник питания, который должен давать одно или несколько значений постоянного напряжения. Конечно, в качестве источника питания можно использовать гальванические батареи, но при большом потреблении мощности это неэкономично. В этом случае применяют специальные электронные устройства, обеспечивающие формирование требуемых питающих напряжений и называемые источниками электропитания.

2.4.1. Структура источников электропитания

Источники электрической энергии, необходимой для питания любой электронной аппаратуры, принято делить на источники первичного и вторичного электропитания.

К первичным источникам электропитания относят трехфазную (или однофазную) сеть промышленной частоты 50 Гц (для стационарной аппаратуры) и генераторы постоянного или переменного напряжения повышенной частоты 400…500 Гц. Химические гальванические элементы и солнечные батареи используются только для питания бортовой аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах и требующей автономного электропитания.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) выполняют функции преобразования вида тока (переменный – постоянный), стабилизации и регулировки напряжения или тока, фильтрации различных помех, возникающих при переключении, стабилизации и регулировке напряжения и т. д. Многие отечественные и зарубежные фирмы выпускают источники вторичного электропитания (ИВЭП) в готовом виде, удобном для встраивания в различные изделия. Это, как правило, хорошо отработанные, малогабаритные, высокоэкономичные конструкции с защитами различного вида.

По виду преобразования ИВЭП различают:

– сетевые источники – преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC–DC);

– конверторы – преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DC–DC);

– инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC–AC);

– преобразователи частоты (АС–АС).

Подавляющая часть устройств информационно-вычислитель-ных систем потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Если первичным источником служит сеть переменного тока U~ , то источник вторичного электропитания чаще всего имеет структуру, приведенную на рис. 2.33,а. Мощный трансформатор Т, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем В в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным, не зависящим от изменений напряжения сети, температуры, тока нагрузки Н и других дестабилизирующих факторов.

Рис. 2.33. Структура вторичных источников питания

Источники вторичного электропитания являются неотъемлемой частью любой электронной аппаратуры и в значительной степени определяют ее технико-экономические показатели. На долю источников питания нередко приходится до 40 % от общей массы и объема аппаратуры, поэтому одной из задач, стоящих перед проектировщиками, является их комплексная миниатюризация.

Из всех узлов ИВЭП наиболее громоздкие, как правило, узлы, выполненные на магнитопроводах из ферромагнитных материалов (трансформаторы и дроссели фильтров).

Стремление уменьшить массу и габаритные размеры источников электропитания привело к структурной схеме, называемой «импульсные ИВЭП» (рис. 2.33,б). В этой структуре переменное напряжение первичной сети сначала выпрямляется В1 и фильтруется Ф1, а затем инвертируется в инверторе И в переменное, но с частотой 20...100 кГц. На этой частоте напряжение трансформируется Т до нужного уровня, вновь выпрямляется В2, фильтруется Ф2 и при необходимости стабилизируется Ст. Масса и габариты магнитопровода трансформатора и дросселя обратно пропорциональны частоте переменного тока. Поэтому на высокой частоте происходит резкое уменьшение размеров трансформатора и фильтра Ф2. За счет этого источник получается значительно меньше по массе и габаритам, несмотря на большее число узлов и двойное преобразование вида тока. Промышленные образцы импульсных ИВЭП даны в прил. 3.

2.4.2. Выпрямительные устройства

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.34,а) ток Iн через диод проходит в нагрузку Rн, только в положительные полупериоды напряжения U2, так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющая I0 представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения, равную (согласно разложению функции в ряд Фурье):

,

где U2max и U2 – амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора.

б

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение Uобр = U2max = πU0, поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию Uобр доп > πU0 , а допустимый через диод ток – условию Iср доп > I0.

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из четырех диодов, включенных по так называемой мостовой схеме (рис. 2.34,б). Напряжение U2 в положительный полупериод открывает диоды VD1 и VD3 и от точки А к точке В по цепи VD–R–VD3 протекает ток нагрузки In= I 1,3. При этом диоды VD1 и VD4 заперты. В отрицательный полупериод напряжение U2 открывает диоды VD1 и VD4 и ток

In= I 2,4 течет от точки В к точке A по цепи VD2–R–V–D4, проходя по нагрузке в одном и том же направлении. В этой схеме постоянные составляющие тока I0 и напряжения Uo в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

и

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD2 в положительный полупериод напряжения U2. При открытом диоде VDI потенциал точки А близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD2. Значит, к диоду VD2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора Uo6р=U2max, т. е. такое же, как и в однополупериодной схеме. Ток, протекающий через каждый из диодов, Iср= Iо/2, т. е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пример 3. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (рис. 2.29, б), если необходимо получить мощность в нагрузке Ро = 600 Вт и напряжение Uo = 115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Р е ш е н и е. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

U2=Uо/0,9 =115/0,9 =127 В.

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации К= 220 / 127 = 1,73. Постоянный ток в нагрузке

I0 = Р0/ U0 = 600/115 = 5,2 А.

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых Iср. доп³ 5,2/2 =2,6 А, а допустимое обратное напряжение

В.

Трехфазные выпрямители применяют при больших мощностях, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть.

Вторичная обмотка трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке Д, через три диода (рис. 2.35, а). Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. На рис. 2.35,в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке и имеющего значительно меньшие пульсации, чем на схеме рис. 2.34. В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы: