Электротехника и электроника (стр. 11 )

2. По принципу действия ИВЭП можно разделить на две группы: трансформаторные и бестрансформаторные.

В трансформаторных ИВЭП напряжения переменного тока, например, силовой сети, вначале изменяется до требуемого значения при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется.

В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется  в переменное напряжение более высокой частоты. Преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, в связи с этим ИВЭП такого типа часто называют импульсными.

3. По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это многоканальный ИВЭП с индивидуальной стабилизацией. Если же для стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называется главным или ведущим), то такие источники называются ИВЭП с групповой стабилизацией.

2.2. Устройства питания электронной аппаратуры

К основным устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры можно отнести следующие: выпрямители, стабилизаторы напряжения и импульсные источники питания. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

2.2.1. Выпрямители

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя представлена на рисунке 2.

Силовой трансформатор (СТ) выполняет следующие функции: преобразует напряжение электрической сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети.

Вентильный блок (ВБ) является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться полупроводниковые приборы, обладающие  односторонней проводимостью, например, диоды, транзисторы и так далее.

Рисунок 2

Фильтрующее устройство (ФУ) используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижний частот (ФНЧ), выполненные на пассивных элементах R, L, C, или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей и так далее.

Стабилизатор напряжения (СН) предназначен для уменьшения влияния внешний воздействий: изменения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и так далее. Стабилизатор можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых  требований, то стабилизатор может быть совсем исключен или его функции могут быть переданы другим узлам.

В зависимости от схемы вентильного блока различают однополупериодный, двухполупериодный и мостовой выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, при этом постоянная составляющая напряжения на выходе Uо равна:

       ,

где UR – падение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Недостатками выпрямителей такого типа является:

1. амплитудное значение отрицательной полуволны является обратным и оно должно быть меньше пробивного напряжения диода.

2. плохое использование трансформатора и сглаживающего фильтра;

3. высокий коэффициент пульсаций.

К достоинствам рассматриваемой схемы можно отнести простоту исполнения и высокую надежность. Исходя из отмеченных недостатков выпрямители такого типа находят ограниченное применение в маломощных устройствах. Принципиальная схема такого выпрямителя и соответствующие его работе эпюры напряжений приведены на рисунке 3.

Рисунок 3

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w21 и w22. С помощью этих полуобмоток создаются  два противофазных питающих выпрямители напряжения. Принципиальная схема выпрямителя, а также форма выходного напряжения, напряжения на первом и втором диодах приведены на рисунке 4.

К недостаткам двухполупериодного выпрямителя можно отнести наличие трансформатора со средним выводом.

Мостовой выпрямитель является двухполупериодным выпрямителем. В отличии от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети без трансформатора. Принципиальная схема мостового выпрямителя, а также элементы схемы, поясняющие его работу приведены на рисунке 5.

Недостатками мостового выпрямителя является:

1. Низкий КПД, так как ток проходит в каждый полупериод через два последовательно включенных диода

2. Большое падение напряжения на выпрямительных диодах при больших токах порядка 3А и низком напряжении (3-5)В.

Последний недостаток не позволяет применять мостовые выпрямители для выпрямления низких напряжений (меньше 5В).

2.2.2. Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания, изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и так далее.

По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и так далее. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным  стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке 4.

Рисунок 4

2.2.3. Импульсные источники электропитания

Импульсные, или ключевые источники питания в настоящее время получили распространение не меньше, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основным достоинством являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Все перечисленные достоинства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка транзистора большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. При этом в области насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки в транзисторе отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Все это приводит к тому, что средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном радиаторе. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению охлаждающих радиаторов.

Рисунок 5

Рисунок 6.

Улучшение массогабаритных характеристик источника питания обусловлено прежде всего тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель габариты и масса которых намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников питания обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличение пульсации выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим.

Обобщенная структурная схема импульсного источника питания приведена на рисунке 7. Она состоит из четырех основных блоков:

- сетевого выпрямителя  с емкостным фильтром;

- высокочастотного инвертора  выпрямленного напряжения сети;

- устройства управления высокочастотным инвертором;

- выходного высокочастотного выпрямителя с емкостным фильтром.

Принцип работы импульсного источника питания состоит в следующем. Гармоническое напряжение сети (50 Гц или выше) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющего достаточно большую емкость. Большая емкость фильтра сетевого выпрямителя обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает время удержания выходного напряжения. Так при напряжении питания питающей сети 220 В напряжение на емкости составляет примерно 300 В.

Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения лежит в пределах от 20 до 200 кГц. С увеличением частоты преобразования увеличивается удельная мощность, но одновременно растут потери в элементах преобразователя, что приводит к снижению КПД.

Тема 3 Усилители электрических сигналов

3.1 Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zn.