Проектирование стабилизированного источника питания

Стабилизированный источник питания. Активный фильтр Саллена-Кея. Генераторы сигналов на ОУ, расчет фильтра и генератора прямоугольных сигналов. Моделирование стабилизированного источника питания. Амплитудно-частотная характеристика пассивного фильтра.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ГЛАВА 1. ОБЗОР

1.1 Стабилизированный источник питания

Различают первичные и вторичные источники питания.

Назначение вторичных источников питания (ВИП) - преобразование сетевого напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем. Можно выделить две основные структурные схемы ВИП: классическую (сетевой трансформатор -выпрямитель-фильтр-стабилизатор постоянного напряжения) и импульсную (выпрямитель сетевого напряжения - высокочастотный преобразователь в импульсные напряжения необходимых номиналов - выпрямитель импульсного напряжения - сглаживающий фильтр - стабилизатор постоянного напряжения). Структурная схема классического ВИП представлена на рисунке 1.1:

Рисунок 1.1 - Структура классического ВИП

Трансформатор

Трансформатором называют электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты. В трансформаторе используется явление взаимоиндукции. Конструктивные параметры трансформаторов при расчете выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и их перегрева.

Выпрямитель

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой (схема Греца).

Однополупериодный выпрямитель (рисунок 1.2). Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения (рисунок 1.3).

Рисунок 1.2 - Однополупериодный выпрямитель

Рисунок 1.3 - Временные диаграммы

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

откуда действующее напряжение вторичной обмотки:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Мощность, на которую должна быть рассчитана вторичная обмотка трансформатора:

Габаритная мощность трансформатора (без учета КПД.) равна полусумме мощностей, выделяемых первичной и вторичными обмотками:

Как видно из формулы (6), габаритная мощность трансформатора должна быть в 3,1 раза больше полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. трансформатор используется всего на 30%.

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

большой коэффициент пульсаций;

малые значения выпрямленного тока и напряжения;

низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Двухполупериодные выпрямители (рисунки 1.4 и 1.5) при работе на активно-емкостную нагрузку, вследствие удвоенной частоты пульсаций, позволяют уменьшить габариты сглаживающего фильтра. В отличие от выпрямителя со средней точкой, где обмотки трансформатора используются примерно на 35...40%, в мостовом выпрямителе обмотка работает оба полупериода, поэтому коэффициент ее использования достигает 80%. Кроме того, в нем можно использовать диоды с вдвое меньшим допустимым напряжением.

Рисунок 1.4 - Схема резистивно-емкостной нагрузки однополупериодного выпрямителя

Рисунок 1.5 - Влияние ёмкостной нагрузки

Наиболее распространенная схема двухполупериодного мостового выпрямителя, схема которого представлена на рисунке 1.6:

Рисунок 1.6 - Мостовой выпрямитель

Недостаток мостовой схемы - удвоенное количество диодов по сравнению с выпрямителем со средней точкой. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя со средней точкой.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу двухтактных выпрямителей на емкостной фильтр, приведены на рисунке 1.7.

При работе выпрямителя на емкостной фильтр диод в плече (оба диода для мостовой схемы) открывается, когда напряжение на входе выпрямителя становится равным напряжению (точнее, превышает его на порог открывания диода) на конденсаторе сглаживающего фильтра (момент t1). При этом в интервале t1-t2 ток через открытые диоды ограничен только сопротивлением обмотки трансформатора и открытых диодов. В момент времени t2 напряжение на входе выпрямителя вновь становится равным напряжению на конденсаторе, и открытый диод закрывается. При этом начинается разряд конденсатора фильтра на сопротивление нагрузки. Открывание другого диода происходит в момент времени t3. Далее процессы повторяются. Наличие у трансформатора индуктивности рассеяния приводит к определенной задержке выключения открытого диода (показано пунктирной линией).

Рисунок 1.7 - Временные диаграммы

Сглаживающий фильтр

Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя.

В нашем случае используется емкостной фильтр.

Емкостной сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке, емкость которого определяется из соображений: C=10/Rн*f. Как же происходит сглаживание этих самых пульсаций? Рассмотрим форму выходного напряжения, показанную ниже на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Другими словами, это напряжение, которое покажет обычный вольтметр. Как видно, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное имеются пульсации выходного напряжения.

А теперь подключим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано ниже на рисунке 1.9:

Рисунок 1.9 - Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром

Подключим осциллограф параллельно нагрузке и увидим следующую картину(рисунок 1.10):

Рисунок 1.10 - Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром

Эта красная линия называется пилой или пилообразным напряжением. Разберем это подробнее. На выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться - короткий отрезок пилы на рисунке 1.10. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок пилы. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пилы, а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки, конечно. Чем больше емкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации. Если нагрузку вообще выкинуть, то и пульсаций не будет.

Подсоединив конденсатор в схему выпрямителя, добились сглаживания пульсаций выходного напряжения, к тому же, на рисунке 1.10 видно, что увеличилось среднее значение выпрямленного напряжения. Еще эффектней это выглядит с двуполупериодным выпрямителем. Поскольку частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, то конденсатор разряжается через нагрузку намного медленней, естественно при соответствующем выборе его емкости. Другими словами, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше.

Процесс фильтрации можно объяснить и в другом аспекте. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку емкостное сопротивление конденсатора есть X = 1 / щC, где щ = 2рf, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0, значит, емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная составляющая проходит через конденсатор и замыкается на общий провод не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широ...