ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Источники электропитания.

Практически вся радиоэлектронная аппаратура (РЭА) нуждается в одном или нескольких источниках питания (ИП). При разработке той или иной радиоаппаратуры разрабатывается свой источник питания. Это может быть батареи, аккумуляторы или выпрямители тока. Все ИП можно разделить на две группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. РЭА может иметь в своем составе: ИП первой группы; ИП второй группы; ИП первой и второй групп одновременно.

Источники первичного электропитания. К данной группе ИП относятся: 1) химические источники тока (гальванические элементы, батареи и аккумуляторы); 2) термобатареи; 3) термоэлектронные преобразователи; 4) фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи); 5) топливные элементы; 6) атомные элементы; 7) электромашинные генераторы.

Химические источники тока (ХИТ) широко используются для питания маломощных устройств и аппаратуры, требующей автономного питания. Батареи и аккумуляторы являются также вспомогательными и (или) резервными источниками энергии в устройствах, питающихся от сети переменного тока. Выходное напряжение таких источников практически не содержит переменной составляющей (пульсаций), но в значительной степени зависит от величины тока, отдаваемого в нагрузку, и степени разряда. Поэтому в устройствах, критичных к напряжению питания, химические источники тока используются совместно со стабилизаторами напряжения.

Термобатареи состоят из последовательно соединенных термопар. Термобатареи используются в качестве ИП малой мощности, например для питания радиоприемников. В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру, благодаря чему создается термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника. Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а следовательно, не дает возможность получить большую термо-ЭДС.

Лучшие результаты дает использование в термогенераторах полупроводниковых термопар, или комбинированных, состоящих из проводника и полупроводника. В термопаре, состоящей из полупроводников с n- и p- проводимостями, при нагревании спая количество электронов в полупроводнике n-типа и число дырок в полупроводнике р-типа увеличивается. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно больше термо-ЭДС металлической пары.

Термоэлектронные преобразователи представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Эмитированные катодом электроны движутся к аноду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение анода. В зависимости от температуры нагрева катода термоэлектронные преобразователи делятся на низкотемпературные ( °С) и среднетемпературные ( °С). У среднетемпературных преобразователей КПД достигает 20%, что более чем в 2 раза превышает КПД термобатарей.

Топливные элементы осуществляют непосредственное преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восстановление кислорода происходит на разных электродах. Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПД преобразователя. В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам.

Атомные элементы применяются для питания маломощных устройств. Конструкция таких ИП различна в зависимости от принципа их действия. В элементах, использующих β- излучение, на внутреннем электроде размещается радиоактивный изотоп стронция 90. Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик или вакуум. Под действием β-лучей на электродах создаются заряды. Напряжение в таких элементах может достигать нескольких киловольт, а внутреннее сопротивление очень велико (порядка 10^13Ом). Разрядный ток не превышает одного миллиампера. Достоинством таких элементов является очень большой срок службы.

Источники вторичного электропитания. Они представляют собой функциональные узлы РЭА или законченные устройства, использующие энергию, получаемую от системы электроснабжения или источника первичного электропитания и предназначенные для организации вторичного электропитания радиоаппаратуры. Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 1. По типу питающей цепи: 1.1 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока; 1.2 ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока; 1.3 ИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока.

Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 2. По напряжению на нагрузке: 2.1 ИП низкого (до 100 В) напряжения; 2.2 ИП среднего (от 100 до 1000 В) напряжения; 2.3 ИП высокого (свыше 1000 В) напряжения. 3. По мощности нагрузки: 3.1 ИП малой мощности (до 100 Вт); 3.2 ИП средней мощности (от 100 до 1000 Вт); 3.3 ИП большой мощности (свыше 1000 Вт). 4. По роду тока нагрузки: 4.1 ИП с выходом на переменном токе; 4.2 ИП с выходом на постоянном токе; 4.3 ИП с выходом на переменном и постоянном токе.

Источники вторичного электропитания можно классифицировать по следующим параметрам: 5. По числу выходов: 5.1 одноканальные ИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока; 5.2 многоканальные ИП, имеющие два или более выходных напряжений. 6. По стабильности напряжения на нагрузке: 6.1 стабилизированные ИП; 6.2 нестабилизированные ИП.

Стабилизированные источники питания имеют в своем составе, по крайней мере, один стабилизатор напряжения (тока) и могут быть разделены: а) по характеру стабилизации напряжения: ИП с непрерывным регулированием; ИП с импульсным регулированием. б) по характеру обратной связи: параметрические; компенсационные; комбинированные; в) по точности стабилизации выходного напряжения:

Параметры источников вторичного электропитания. 1. Номинальные выходные напряжения и токи. 2. Нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации. 3. Максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных цепей ИП. Для источников питания с выходом на переменном токе задаются максимальное, минимальное и номинальное значения полной мощности (в вольт-амперах) S = U / Z (где U - действующее значение напряжения на нагрузке, Z- модуль полного сопротивления нагрузки) и соответствующие значения коэффициентов мощности нагрузки cosφ=R/Z, где R-активное сопротивление нагрузки.

4. Номинальное значение тока, потребляемого ИП от сети электропитания или первичного источника питания электроэнергией. Для ИП, работающего в режиме изменяющейся нагрузки, задаются номинальное, максимальное и минимальное значения мощности, потребляемой от первичного ИП. 5. Для ИП, питающихся от сети (или источника) переменного тока, коэффициент мощности cosφ= P/S, где P - активная составляющая полной мощности, потребляемой ИП от первичной сети. Для нагрузок постоянного тока cos φ = 1, так как P = S. 6. Коэффициент полезного действия в номинальном режиме

7. Внутреннее сопротивление ИП, равное численному значению отношения изменения выходного напряжения ΔUвых к вызвавшему его изменению тока нагрузки (выходного тока) ΔIвых. 1 - характеристика идеального источника питания; 2 - характеристика реального источника питания.

8. Уровень пульсаций выходного напряжения Uп и/или коэффициент пульсаций Кп. Кп = Uп/U0, где Uп, Uo - переменная и постоянная составляющие выходного напряжения. Иногда определяют Кп как отношение удвоенного значения Uп к Uo.

В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется. В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты (ФНЧ). В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение Uвых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх, а сам стабилизатор непрерывно рассеивает мощность РрасIвых(Uвх-Uвых), где Iвых - выходной ток (ток нагрузки).

В качестве базовых электрорадиоэлементов ИП используются: 1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы); 2) полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, транзисторы; 3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные); 4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость); 5) аналоговые интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители низкой частоты); 6) интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и импульсные);

В качестве базовых электрорадиоэлементов ИП используются: 7) цифровые интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП (AC-DC и DC-DC конверторы, однотактные и двухтактные ШИМ - контроллеры, корректоры коэффициента мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания); 8) элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодиоды, аналоговые и цифровые индикаторы); 9) предохранители (плавкие, биметаллические, электронные).

Линейный стабилизатор используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми простыми устройствами являются параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах). Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. Как уже отмечалось, в качестве таких стабилизаторов часто используются интегральные схемы с очень хорошими параметрами.

В большинстве ИП используют один или несколько трансформаторов. Он в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. Бестрансформаторные источники питания ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению, например, водопроводным трубам и системам центрального отопления. Это создает потенциальную опасность, главным образом, для человека, эксплуатирующего устройство.

При проектировании ИП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Отечественной промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания: 1) анодные (ТА) и накальные (ТН); 2) анодно-накальные (ТАН); 3) для питания устройств на полупроводниковых (ТИП) 4) силовые (ТС). При выборе трансформатора необходимо, чтобы его мощность была не менее мощности, потребляемой нагрузкой (необходимо предусмотреть некоторый запас),

Выпрямители - это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в однополярное пульсирующее напряжение. В качестве выпрямителей используются вентили- устройства, пропускающие ток в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды.

В зависимости от числа фаз питающего источника переменного напряжения различают однофазные и трех фазные схемы выпрямителей. Однополупериодная схема с одним диодом применяются в основном при мощностях в нагрузке до Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинства схемы - минимальное число элементов, малая стоимость. Недостатки - низкая частота пульсаций (равна частоте питающей сети), плохое использование трансформатора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током;

Сетевой трансформатор изменяет амплитуду сетевого напряжения до необходимого значения и разделяет по постоянному току цепи выпрямителя. Для устранения электростатического переброса напряжения первичная и вторичная обмотки трансформатора разделены электростатическим экраном Э. Полупроводниковый диод Д (или селеновые столбы и др.) обеспечивает одностороннюю проводимость.

К диоду подают переменное напряжение Uвх= u·sin(ωt) от вторичной обмотки сетевого трансформатора. Диод пропускает ток только при прямом включении. Для рассматриваемой схемы это положительные полупериоды. Во время отрицательных полупериодов диод закрыт и ток через него не проходит.

Ток Io на нагрузке R пульсирующий, а форма его «отрезков» синусоидальная. Напряжение Uо = Iо·R имеет ту же форму, и пульсации его очень велики. Их можно сгладить включением сглаживающего конденсатора Со (десятки микрофарад) параллельно нагрузке R.

Конденсатор подзаряжается быстро, так как внутреннее сопротивление диода невелико r пр =1-5 Ом, и разряжается медленно через R = Ом (диод закрыт). В результате получают постоянное пульсирующее напряжение Uo.

Двухполупериодная со средней точкой применяется чаще всего при мощностях до 100 Вт. Выпрямители, выполненные по данной схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций, возможностью использования диодов с общим катодом или анодом, что является очень удобным при установке обоих диодов на общий радиатор.

Относительно средней точки вторичной обмотки трансформатора напряжение сдвинуто на 180°. То есть в любой полупериод изменения напряжения питающей сети напряжения в первой и второй секциях вторичной обмотки трансформатора находятся в противофазе.

В положительный полупериод сетевого напряжения Uвх диод Д1 открыт (на его аноде положительный потенциал), а диод Д2 закрыт. При смене полярности сетевого напряжения (отрицательная полуволна) открывается диод Д2, а диод Д1 закрывается.

В оба полупериода ток в нагрузке R имеет одно и то же направление протекает только через один диод. В результате общий ток Iо, а также Uo менее пульсирующие, чем при однотактном выпрямлении. Для уменьшения пульсаций можно использовать сглаживающий конденсатор Со. К недостатку схемы можно отнести обязательное наличие средней точки у вторичной обмотки трансформатора.

Мостовая двухполупериодная схема характеризуется хорошим использованием мощности трансформатора, применяется при мощностях в нагрузке до 1 к Вт и более. Достоинства выпрямителей, выполненных по этой схеме - повышенная частота пульсаций, меньшее обратное напряжение на выпрямляющих диодах. Недостатки - повышенное падение напряжения на выпрямительном блоке, невозможность установки однотипных диодов на общем радиаторе без электроизоляционных прокладок. В каждом из полупериодов Uвх открыта одна пара диодов VD2 и VD3 или VD1 и VD4.

В положительный полупериод напряжения вторичной обмотки U (положительный потенциал на верхнем по схеме выводе) диод VD2 открыт (на его аноде положительный потенциал). Ток вторичной обмотки протекает через VD2, конденсатор С и нагрузку, возвращаясь ко вторичной обмотке через диод VD3. В отрицательный полупериод напряжения U (положительный потенциал на нижнем по схеме выводе) ток протекает через VD4, С и Rн, возвращаясь к вторичной обмотке через диод VD1.

А Б ~ D1D1 D2 D3 D4 R t

А Б ~ D1D1 D2 D3 D4 R t t

А Б ~ D1D1 D2 D3 D4 R t t

А Б ~ D1D1 D2 D3 D4 R t t

Двухполярная выпрямительная схема позволяет получить два выпрямительных напряжения разной полярности. Особенностью схемы является то, что на ее выходе присутствуют два напряжения разной полярности относительно общего вывода (земли). Схема используется при построении двухполярных (ращепленных) источников питания, в том числе и стабилизированных.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения уменьшают фильтрами. Чаще всего используют Г- образные фильтры. RС-фильтрами (рис. а) сглаживают слабые токи (до 50 мА), так как потеря напряжения на резисторе Rф становится более значительной при сильных токах. Для токов более 50 мА используют LC- фильтры (рис. б). На вход фильтра подают выпрямленное напряжение Uо 1, которое изменяется с амплитудой ΔUо.

Действие конденсатора С заключается в том, что он в положительные полупериоды напряжения вторичной обмотки запасает энергию и отдает ее в нагрузку в промежутках между импульсами (кривая 2). В результате пульсации напряжения на нагрузке значительно уменьшаются (изменение напряжения нагрузки Uн происходит в пределах от Uнмин до Uнмакс вместо от 0 до Uн при отсутствии сглаживающего конденсатора).

С целью обеспечения заданного коэффициента пульсаций при однополупериодном выпрямлении величину емкости конденсатора емкостного фильтра определяют из соотношения: где ω - круговая частота напряжения сети, питающей выпрямитель.

Для двухполупериодных выпрямителей емкость может быть почти в четыре раза меньше за счет уменьшения амплитуды основной гармонической составляющей пульсаций примерно в два раза и увеличения частоты ее в два раза, то есть: где ω - круговая частота напряжения сети, питающей выпрямитель.

Для получения высокого коэффициента сглаживания в мощных выпрямителях целесообразно применять каскадное включение Г-образных фильтров. Результирующий коэффициент сглаживания при этом равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев. При высоких значениях выпрямленного напряжения (5-10 кВ) или при малых значениях выпрямленного тока (до мА) применяются Г-образные RC-фильтры.

Для нормального функционирования большинства электронных устройств необходимо обеспечить их стабильным напряжением питания. Основными факторами, вызывающими колебания напряжения являются: колебания напряжения питающей сети, изменения частоты питающего напряжения, колебания сопротивления нагрузки, изменения температуры. В зависимости от типа питаемого устройства относительное изменение напряжения питания (ΔUвых/ Uвых.ном)·100% может измениться в пределах от 0,005 до 3% и более. Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение (ток) на своем выходе, называются стабилизаторами напряжения (тока).

Использующиеся в ИП стабилизаторы напряжения делятся на две группы: параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы строятся на основе нелинейных элементов (стабилитронов, варисторов и др.), параметры которых изменяются непосредственно под воздействием дестабилизирующих факторов Вольтамперные характеристики нелинейных элементов: а - стабилизатор напряжения; б - стабилизатор тока

Компенсационные стабилизаторы имеют обратную связь по напряжению, благодаря которой выходное сопротивление стабилизатора существенно уменьшается и выходное напряжение остается более стабильным. Работа стабилизатора: в измерительном элементе происходит сравнение выходного напряжения с опорным и вырабатывается сигнал рассогласования. В преобразующем устройстве сигнал рассогласования усиливается и преобразуется в управляющий сигнал для регулирующего элемента. Под действием этого управляющего сигнала изменяется внутреннее состояние регулирующего элемента так, чтобы поддерживать выходное напряжение равное опорному.

Основные параметры стабилизаторов. Наиболее важными электрическими параметрами стабилизаторов напряжения являются: 1) коэффициент стабилизации: где Uвх, Uвых - входное и выходное напряжения; ΔUвых - приращение выходного напряжения обусловленное изменением напряжения на входе ΔUвх.

Параметрические стабилизаторы. Основными особенностями таких стабилизаторов являются: простота, невысокий КПД (особенно при переменном сопротивлении нагрузки), малый коэффициент стабилизации, трудность получения точного значения выходного напряжения и регулирования его без использования дополнительного проходного транзистора. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне а принципиальная схема; б - вольтамперная характеристика стабилитрона.

Для стабилизации напряжения используется участок вольтамперной характеристики с неизменным обратным напряжением при изменении обратного тока в интервале от Iст.мин- до Iст.макс. Минимальное и максимальное значение тока стабилизации Iст.мин, Iст.макс определяются типономиналом стабилитрона. Типовые значения предельных токов стабилизации для маломощных стабилитронов: Iст.мин. = 3-5 мА, Iст.макс- =20-45 мА.

В случае уменьшения обратного тока стабилизации ниже Iст.мин. режим стабилизации нарушается. При превышении обратным током значения Iст.макс. обратимый пробой стабилитрона переходит в необратимый тепловой пробой. Ограничение тока стабилизации осуществляется с помощью балластного резистора Rб. На этом же сопротивлении падает излишек напряжения ΔU = Uвх - Uвых. Выбор значения сопротивления Rб производится с учетом диапазонов изменения: тока нагрузки, входного напряжения и тока стабилизации выбранного стабилитрона.

Коэффициент стабилизации по напряжению стабилизатора приближенно может быть определен как отношение значений сопротивлений балластного резистора Rб и дифференциального сопротивления стабилитрона rд Кст Rб /rд Для повышения Кст целесообразно повышать значение сопротивления Rб и выбирать стабилитрон с малым изменением напряжения стабилизации во всем диапазоне изменения Iст. Типовые значения Кст схемы находятся в интервале от 20 до 40 единиц.

Особенностью параметрических стабилизаторов на стабилитроне является то, что в случае переменной нагрузки максимальный выходной ток не может превышать максимальный ток стабилизации стабилитрона. Увеличить выходной ток стабилизатора можно с помощью транзистора, включенного по схеме общий коллектор

Элементы Rб и диод VD образуют обычный параметрический стабилизатор, нагрузкой которого является база транзистора VT. Транзистор в рассматриваемой схеме является усилителем тока нагрузки Iэβ·Iб, где β - коэффициент передачи тока транзистора. Учитывая, что падение напряжения на переходе база-эмиттер величина практически постоянная и относительно небольшая (до 0,5 В для германиевых и до 1,0 В для кремниевых транзисторов), можно считать, что напряжение на нагрузке примерно равно напряжению стабилизации опорного диода VD

Введение в схему потенциометра (переменного сопротивления Rр), подключенного параллельно стабилитрону, позволяет плавно регулировать выходное напряжение. При расчете схемы с регулировкой выходного напряжения необходимо учитывать, что для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить протекание тока через Rб большего по величине тока базы транзистора не менее чем в 3 раза.

Современная тенденция развития ИП такова, что они строятся в основном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных активных элементов в них постоянно уменьшается. Уже в 1967 была разработана микросхема линейного интегрального стабилизатора μА723, представляющая собой настоящий блок питания. Микросхема 723 содержит температурно- компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Современные стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, имеют широкий спектр функциональных возможностей, но построены на тех же принципах, что и μА723.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на фиксированное значение напряжения, так и предназначенных для регулирования величины, выходного напряжения в достаточно широких пределах. Например, выходное напряжение отечественной микросхемы КР142ЕН12А может изменяться в пределах от +1,25 до +36 В. При этом она может отдавать ток в нагрузку до 1,5 А.

Интегральные стабилизаторы напряжения - широко распространенны. Они дешевы, удобны в использовании, надежны. Практически все интегральные стабилизаторы имеют встроенные цепи защиты: 1)от короткого замыкания в нагрузке; 2)от перегрева; 3)коррекцию области безопасной работы проходного транзистора.

Однако не всегда все эти три вида защиты имеются в конкретном интегральном стабилизаторе. Наиболее широкое распространение получила защита выхода из строя от короткого замыкания в нагрузке. Интегральный стабилизатор может быть сделан на основе схемы с регулирующим ОУ. Для чего необходимо выполнить в едином кристалле стабилизатор и вывести наружу минимум три вывода

Микросхему на схеме называют стабилизатором положительного напряжения, так как относительно общего вывода (СОМ) на его входном и выходном выводах положительный потенциал. Выпускаются также стабилизаторы отрицательного напряжения, двуполярные стабилизаторы (симметричные положительное и отрицательное напряжения относительно общего вывода), многоканальные стабилизаторы (обеспечивают несколько различных по величине выходных напряжений).

Трехвыводные стабилизаторы выпускаются на фиксированные значения выходного напряжения, большей частью от 5 до 24 В. На вход ИМС стабилизатора подается выпрямленное напряжение несколько большее по величине выходного напряжения (минимальный перепад от 0,5 - 3 В с учетом пульсаций и возможных просадок). К выходу микросхемы подключается нагрузка. Конденсаторы C1 и С2 гасят броски напряжения, вызванные переходными процессами.

Для каждого стабилизатора в справочниках указывается рекомендуемый тип конденсаторов и значения их емкостей. Иногда вместо C1 и (или) С2 используют два параллельно включенных конденсатора: оксидный емкостью несколько мкФ и керамический емкостью около 0,1 мкФ. Наряду с трехвыводными стабилизаторами, рассчитанными на фиксированное значение выходного напряжения, промышленностью выпускается четырех - и более выводные микросхемы, в которых реализуется функция изменения выходного напряжения. Такие стабилизаторы называются регулируемыми.

Несмотря на то, что линейные ИП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабильности по напряжению и току, малое время восстановления нормативного уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока нагрузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение являются: низкий КПД, значительные масса и габариты. Экономичность линейных стабилизированных ИП (линейных стабилизаторов) оказывается очень низкой в случае изменения величины выходного напряжения в широких пределах, так как на регулирующем (проходном) транзисторе, работающем в непрерывном режиме и являющимся активным своеобразным гасящим резистором, рассеивается значительная мощность.

Коэффициент полезного действия стабилизаторов повышается, если регулирующий элемент работает в ключевом (импульсном) режиме. При этом за счет увеличения частоты переключения (до к Гц вместо 50 Гц) значительно уменьшаются массы и габариты трансформаторов и конденсаторов фильтра импульсного ИП. Импульсные ИП находят широкое применение главным образом благодаря их значительно большой удельной мощности и большой эффективности. Важным достоинством импульсных ИП является большое время удержания, то есть время, в течение которого выходное напряжение ИП остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения. Особую актуальность это приобретает в компьютерах.

В - выпрямитель; ФНЧ - фильтр низкой частоты; КРЭ - ключевой регулирующий элемент; Т - трансформатор. Импульсные ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение питающей сети переменного тока без использования первичного силового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток коммутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высокочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется.

Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируемым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по напряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение (управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 к Гц и выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты. Достоинством импульсных ИП является высокий КПД % (КПД линейных ИП, как правило, не превышает %).

Для питания РЭА используются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве ИП: преобразователь - переменный ток/постоянный ток (AC- DC конверторы), преобразователь - постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь - постоянный ток/переменный ток (DC- AC преобразователь или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения. Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут: 1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение; 2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения).

Все импульсные источники питания разделяются по способу управления регулирующим элементом на две группы: ИП с широтно-импульсной (или частотной модуляцией) и ИП с релейным управлением регулирующим элементом. Импульсный источник питания с ШИМ В - выпрямитель; Ф - низкочастотный сглаживающий фильтр; РЭ - регулирующий элемент; ФВН - формирователь выходного напряжения; МУ - модулирующее устройство; УПТ - усилитель постоянного тока; ИОН - источник постоянного (опорного) напряжения.

Выпрямление напряжения питающей сети переменного тока сглаживается фильтром низкой частоты Ф и передается в формирователь выходного напряжения ФВН через электронный ключ (РЭ-регулирующий элемент), в качестве которого в подавляющем большинстве случаев используется транзистор. Выходное напряжение зависит от энергии, передаваемой в ФВН в единицу времени и нагрузки ИП. Регулирующий элемент осуществляет управление процессом передачи энергии от питающей сети к ФВН.

Выходное напряжение Uвых сравнивается с опорным напряжением Uoп и сигнал разности ΔU=Uвых-Uoп через УПТ поступает на модулирующее устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в импульсы с различной длительностью и постоянным периодом. Длительность импульсов управляющего напряжения Uyпp функционально связана с разностью напряжений ΔU. С модулирующего устройства МУ сигнал поступает на регулирующий элемент РЭ, который периодически переключается. Таким образом, выходное напряжение ИП зависит, при неизменном периоде, от длительности управляющих импульсов.

Иллюстрация процесса ШИМ-модуляции а - tн=0,25T; б - tн=0,50T; в - tн=0,75T. При изменении мощности, отдаваемой ИП в нагрузку, изменяется соотношение длительности импульса tн и периода следования импульсов Uупр. На рис. показаны диаграммы Uупр для различных значений мощности, отдаваемой в нагрузку Рн: рис.а соответствует самому малому значению Рн, рис.б среднему Рн, рис.в - большему значению Рн.

Изменения ширины импульсов видно из рис. Схема управления регулирующим элементом содержит генератор вспомогательного линейно-изменяющегося напряжения Uлин. Это напряжение сравнивается с Uвых. Независимо от вида вспомогательного напряжения (линейно-нарастающее или линейно- спадающее) переключение уровня напряжения Uyпp осуществляется в момент времени, когда Uлин = Uвых.

Причем в любом случае, когда Uвых Uлин) Uупр = 0 и регулирующий элемент закрыт. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ШИМ- модулятора: а при линейно-нарастающем вспомогательном напряжении; б - при линейно- спадающем вспомогательном напряжении.

Упрощенная схема ИП (стабилизатора) с релейным управлением регулирующим элементом представлена на рис. Регулирующий элемент (транзистор VT) открывается управляющим напряжением Uупр, формируемым модулятором. Когда транзистор VT открыт, конденсатор С заряжается через токоограничивающий (балластный) резистор Rб. Как только напряжение на конденсаторе С достигнет заданного верхнего значения Uвых.макс, пороговый модулятор запирает регулирующий транзистор и напряжение на конденсаторе С уменьшается вследствие его разряда через нагрузку (Rн).

При уменьшении Uвых до величины нижнего порога срабатывания Uвых мин пороговый модулятор открывает регулирующий транзистор, смещая его эмиттерный переход в прямом направлении напряжением Uyпp. Частота переключения в процессе работы меняется зависит прежде всего от Rб, Rн, С и в

Емкость конденсатора С не должна быть очень малой во избежание высокой частоты переключения регулирующего транзистора VT, так как с увеличением частоты возрастают потери в регулирующем транзисторе.

Тема реферата 1. Современные процессоры. Структура. Назначение. Характеристики. 2. Источники бесперебойного питания. Структура. Назначение. Характеристики 3. ИМС памяти для компьютерных систем 4. Устройство оптических приводов для компьютерных систем. 5. Фильтры верхних частот. 6. Фильтры нижних частот. 7. Радиоприемники прямого усиления. 8. Транзисторные супергетеродины. 9. Электронное реле выдержки времени. 10. Радиолокация.

Тема реферата 11. Flash память. Устройство. Принцип работы. 12. HDD (жесткий диск компьютера). Структура. Характеристики. Принципы действия. 13. Радиосвязь. Структура. Характеристики. Принципы действия. 14. Тиристорные регуляторы напряжения. 15. Инверторы напряжения 16. Усилители телевизионного сигнала на биполярных транзисторах 17. Многокаскадные широкополосные усилители на полевых транзисторах 18. Микросхемы усилителей сигналов и примеры схем широкополосных усилителей 19. Операционные усилители. (Схемотехника. Назначение. Характеристики)

Тема реферата 20. Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях 21. Генераторы пилообразного напряжения. 22. Модуляторы сигналов 23. Демодуляторы сигналов 24. Цифро-аналоговые преобразователи 25. Датчики движения. Структурная схема. Принцип работы. 26. Аналого-цифровые преобразователи 27. Асинхронные счетчики импульсов 28. Синхронные счетчики импульсов 29. Арифметико-логические устройства 30. Устройства двоичного умножения

Требования к содержанию и оформлению реферата: 1. Титульный лист 2. Формулировка темы и задания 3. Описание устройства: назначение, схема (не менее двух устройств), принцип действия, основные параметры и характеристики графики и зависимости (если необходимо) маркировки и примеры конкретных типов устройств 4. Ссылка на использованную литературу или Internet- ресурс 5. На листах А4 с полями: левое 25 мм, верхнее 20 мм, правое 15 мм, нижнее 30 мм, номера страниц внизу по центру страницы