Электронные приборы и устройства Источники питания электронных устройств

Источники питания электронных устройств

Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Структурная схема источника питания представлена на рис. 17.1.


Рис. 17.1

В связи с этим источники питания электронных устройств классифицируются по виду преобразования энергии первичного источника – источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трехфазного тока, регулируемые и нерегулируемые.

Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, используемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие требования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусоидальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).

Выпрямители

Однофазные выпрямители

Выпрямителем называется электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока (обычно синусоидального) в энергию постоянного тока.

Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод – вентиль.

Для преобразования однофазного переменного напряжения в источниках в основном используют три схемы: однополупериодную, двухполупериодную мостовая и двухполупериодную со средней точкой трансформатора. Схема однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис. 17.2.

Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка которого включена в сеть переменного тока, а последовательно со вторичной включен диод VD и сопротивление нагрузки. Трансформатор служит для получения необходимого уровня переменного напряжения и гальванической развязки цепей переменного и выпрямленного тока.


Рис. 17.2

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рис. 17.2 б). При этом для простоты анализа будем считать активное сопротивление обмоток трансформатора и прямое сопротивление диода равными нулю. В первый полупериод (0 – ) напряжение  положительно, диод открыт, в сопротивлении нагрузки возникает ток . Во время  напряжение  отрицательно – диод закрыт. Ток нагрузки равен нулю и все напряжение  приложено ко второму диоду.

Достоинством такой схемы является ее простота. Недостатками – высокий коэффициент пульсации выпрямленного напряжения и наличие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены при использовании двухполупериодных схем выпрямления.

Рис. 17.3

Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (рис. 17.3 а) состоит из трансформатора  ТV и четырех диодов VD1 – VD4, включенных по мостовой схеме.

К одной диагонали моста подключена обмотка трансформатора, к другой – нагрузочное сопротивление . Каждая пара диодов работает поочередно. В первый полупериод напряжения U2 открыты диоды VD1 и VD3, а VD2 и VD4 закрыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD1, VD3 и сопротивление  в направлении от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод напряжение  отрицательно, диоды VD1, VD3 заперты, а диоды VD2, VD4 открыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD2, VD4 и сопротивление   в направлении от точки 1 к точке 2. Временные диаграммы показаны на рис. 17.3 б.


а) б)

Рис. 17.4

В этой схеме среднее значение выпрямленных напряжения и тока, примерно, в два раза больше, а пульсации значительно меньше по сравнению с однополупериодным выпрямителем. В то же время количество диодов увеличилось в четыре раза.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 17.4 а) можно рассматривать как объединенные вместе два однополупериодных выпрямителя. В каждый полупериод напряжения  работает или верхняя, или нижняя часть схемы. При положительном напряжении  диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт. Ток нагрузки протекает через диод VD1 и  от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод положительно направление . Диод VD1 закрыт, VD2 – открыт. Ток нагрузки протекает через диод VD2 и  также от точки 1 к точке 2 (рис. 17.4 б).

Эта схема имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовая схема. Количество диодов в два раза меньше, чем у мостового выпрямителя, но применение трансформатора увеличивает ее массу и габариты.

Принцип действия машины постоянного тока

      Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.11.2,

     где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
     Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.
     Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
     Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.

     Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

     На рис.11.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 11.3)


Расчет неразветвленных магнитных цепей