Блок питания с трансформатором и двухполупериодным выпрямителем

Цель расчета выпрямителей: определить токи и напряжения обмоток трансформатора, его мощность выбрать диоды и найти емкость конденсаторов фильтра. Надо отметить, что в большинстве случаев применяют простейшие фильтры в виде конденсатора большой емкости. Электрическая принципиальная схема двухполупериудного полупроводникового источника питания. U ОБР. Определяем внутреннее сопротивление вентиля. Определяем внутреннее сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке:.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Блок питания
• Выпрямители для получения двуполярного напряжения 3В, 5В, 12В, 15В и других
• Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые
• Особенности работы выпрямителей, или как правильно рассчитать мощность силового трансформатора.
• Схемы выпрямления, принцип их работы и особенности
• Простой БП своими руками

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Испытание выпрямителя 38КВА.

Блок питания

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания ИИП.

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются. Импульсный блок питания Robiton ENS. Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала.

Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры в определенных рамках.

Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора. Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания. Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах.

Блоки питания бывают линейные трансформаторные или импульсные инверторные. Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Стоит разобраться.

И трансформаторный линейный и импульсный инверторный БП выдают на выходе постоянное напряжение. Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства. Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания.

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора.

Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым , он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки. Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение.

Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост мостовая схема. Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе.

Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение. Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации. Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты.

Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность.

Их параметры частота и скважность задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей. Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках. Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети.

Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали.

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения.

Для наших сетей это актуально. Но не только это.

Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны.

При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей. Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи.

Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности. Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель , который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения до 2,5 кВ , гася тем самым помехи между фазой и нейтралью противофазные помехи. Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех. Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей корпусом или между нейтралью и корпусом.

Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ. Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов X и Y , который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости по сравнению с обычными.

Выпрямители для получения двуполярного напряжения 3В, 5В, 12В, 15В и других

Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники. В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств. Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U 1 , U 2 и U n. Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля диода выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Фото трансформаторный блок питания Фотография трансформатора. Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы Выпрямленный ток в однополупериодном выпрямителе после конденсатора напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой. Как сделать выпрямитель и простейший блок питания. Выпрямитель — это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей.

Особенности работы выпрямителей, или как правильно рассчитать мощность силового трансформатора.

Портал QRZ. RU существует только за счет рекламы, поэтому мы были бы Вам благодарны если Вы внесете сайт в список исключений. Мы стараемся размещать только релевантную рекламу, которая будет интересна не только рекламодателям, но и нашим читателям. Отключив Adblock, вы поможете не только нам, но и себе.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Схемы выпрямления, принцип их работы и особенности

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры. Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины справедливо только для инвертора на базе электрической машины. Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю то есть без учёта знака ординаты за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учёта их знаков то есть полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.

Простой БП своими руками

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рис. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения в сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке.

Принципиальные схемы простых выпрямителей и конденсаторных делителей купить готовый блок дешевле, чем «железо» с каркасом для трансформатора. Блоки питания, так называемые, сетевые адаптеры, бывают сейчас двух двухполярный источник питания с двухполупериодным выпрямителем.

Как показано на рис. Практически образование гармоник в такой схеме может быть более значительным, чем ожидается при разложении синусоидальных импульсов в ряд Фурье. Низкоэффективное преобразование энергии простым однополупериодным выпрямителем. Как показано наверху, входная мощность равна Вт.

Наиболее простыми БП являются трансформаторные, в которых так называемый силовой трансформатор повышает как правило, для ламповых конструкций или понижает как правило, для транзисторных и прочих полупроводниковых конструкций сетевое напряжение, обеспечивая одновременно гальваническую развязку [1] с электросетью. Далее переменный ток выпрямляется см. При необходимости, выходное напряжение можно стабилизировать. Структурная схема рис.

Блок питания БП — устройство, предназначенное для формирования напряжения , необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменный ток сети В частотой 50 Гц для России , в других странах используют иные уровни и частоты в заданный постоянный ток.

Устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток называется выпрямителем. Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, представленной на рис. Охарактеризуем основные элементы схемы:. Соотношения между параметрами в выпрямительном устройстве во многом зависят от схемы выпрямления. Под схемой выпрямления понимают схему соединения обмоток трансформатора и порядок присоединения вентилей ко вторичным обмоткам трансформатора. Схемы выпрямления выпрямители классифицируют по следующим основным признакам:. По числу фаз источника питания переменного напряжения различают выпрямители однофазного тока и выпрямители трехфазного тока.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Расчет самодельного регулируемого блока питания 0

Содержание:

Рис. 1. Схема двухполупериодного выпрямителя с фильтрующим конденсатором

Поскольку в преобладающем большинстве кон­струкций самодельных блоков питания использу­ется двухполупериодный выпрями­тель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе и расчете БП элементов здесь и пойдет раз­говор.

Рассчитать выпрямитель — зна­чит правильно выбрать выпрями­тельные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное на­пряжение, снимаемое для выпрямления со вторичной об­мотки сетевого трансформатора.

Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (U_н) и потребляемый ею максимальный ток (I_н). Расчет ведут в таком порядке.

1. Определяют переменное напряжение, которое долж­но быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U_n = вI,

где U_H — постоянное напряжение на нагрузке, В; В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который опре­деляют по табл. 1.

таблица 1

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, те­кущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5СIн,

где Iд — ток через диод, А; Iн — максимальный ток нагруз­ки, А; С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

U_обр=1,5 U_н,

где U_обр — обратное напряжение, В; U_s — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленно­го тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

С_ф = 3200 I_B/U_HK_П.

Здесь Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ; I_н — максимальный ток нагрузки, A; U_s — напряжение на на­грузке, В; Ки — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения перемен­ной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в дина­мической головке или громкоговорителе будет прослуши­ваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффи­циент пульсаций выпрямленного напряжения в пределах 10~³…10-², усилителей ВЧ и ПЧ — 10-⁴…10~³, предваритель­ных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10~⁵…10~⁴. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабили­затором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.

Расчет трансформатора блока питания

Зная необходимое на­пряжение на вторичной обмотке (Un) и максимальный ток нагрузки (I_н), трансформатор рассчитывают в такой после­довательности.

1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

I_II=1.5I_н,

где I_И — ток через обмотку II трансформатора, А; I_н — максимальный ток нагрузки, А.

2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где Р_II — максимальная мощность, потребляемая от вторич­ной обмотки, Вт; U_II — напряжение на вторичной обмотке, В; I_II — максимальный ток через вторичную обмотку транс­форматора, А.

3. Подсчитывают мощность трансформатора:

P_тр = 1,25 Р_П,

где Р_Тр — мощность трансформатора, Вт; Рц — максималь­ная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт. Если трансформатор должен иметь не­сколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансфор­матора.

4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где I_I — ток через обмотку I, А; Р_тр — подсчитанная мощ­ность трансформатора, Вт; U_I — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердеч­ника магнитопровода:

где S — сечение сердечника магнитопровода, см²; Р_тр — мощность трансформатора, Вт.

6. Определяют число витков первичной (сетевой) об­мотки:

w_I = 50 U_I/S,

где w_I — число витков обмотки; Ui — напряжение на пер­вичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопро­вода, см².

7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

w_II = 55 U_II/S,

где дои — число витков вторичной обмотки; Uu — напря­жение на вторичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопровода, см².

8. Определяют диаметры проводов обмоток трансфор­матора:

где d — диаметр провода, мм; I — ток через обмотку, мА. Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

таблица 2

 

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению кар­каса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли про­вод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно под­считанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм². Если в подобранных пластинах она больше или рав­на вычисленной, железо можно использовать для трансфор­матора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сер­дечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1…2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформа­торы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпря­мителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет полу­чить на нагрузке вполне определенные напряжения в за­висимости от потребляемого ею тока. Эти параметры све­дены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Таблица 3

Расчет стабилизатора напряжения. Для получения бо­лее постоянного напряжения на. нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 2. В таком устройстве работают стаби­литрон V5 и регулирующий транзистор V6, Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исхо­дя из заданного выходного напряжения U_n и максимального тока нагрузки I_н. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сна­чала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания

Рис. 2. Схема стабилизатора напряженияРис. 3. Схема стабилизатора с дополнительным регулирующим транзистором

Расчет стабилизатора БП

Расчет стабилизатора ведут в следую­щем порядке.

1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (U_Bbm) при заданном выходном (U_B):

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напря­жение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и герма­ниевых транзисторов. Если стабилизатор будет подклю­чаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения U_BЫП.

2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзисто­ром мощность:

P_max = l,3(U_BЫП — U_H) I_н.

3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Р_тах, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше U_BЫП, а максимально допустимый ток коллектора — больше I_н.
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:

I_{б. макс} = I_н/h_{21э мин},                

где h_21Эмин — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.

5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряже­ние стабилизации должно быть равно выходному напряже­нию стабилизатора, а значение максимального тока стаби­лизации превышать максимальный ток базы I_{б. макс}.
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1;

R_l = (U_ВЫП—U_СT)/(I_{б. МAКС} + I_{СТ. МИН}).

Здесь R₁ — сопротивление резистора R1, Ом; U_ст— — напряжение стабилизации стабилитрона, В; h. макс — вы­численное значение максимального тока базы транзистора, мА; I_{ст. мин} — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).

7. Определяют мощность рассеяния резистора R1:

Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и исполь­зовании транзистора с малым коэффициентом h_21Э. В таком случае целесообразно ввести в стаби­лизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 3), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в Й21э раз и применить, соответственно, мало­мощный стабилитрон.

В приведенных здесь расчетах от­сутствует поправка на изменение сете­вого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, услож­няющие расчеты. Проще испытать соб­ранный стабилизатор в действии, изменяя его входное на­пряжение (или сетевое) на ±10 % и точнее подобрать ре­зистор R1 по наибольшей стабильности выходного напря­жения при максимальном токе нагрузки.

Урок 1.11 Источники питания электронных устройств — Радиомастер инфо

21.11.201926.10.2015 от admin

       

Источники питания  обязательно имеют все радиоэлектронные устройства.

Если устройство переносное, то в качестве блока питания может использоваться аккумулятор или батарейка. Примеры – мобильные телефоны, часы и т.д.

У стационарных устройств в качестве блоков питания применяются выпрямители.

Как мы упоминали раньше, напряжение в квартирной розетке переменное величиной 220В. Радиоэлектронные устройства выполнены на элементах, многие из которых для работы требуют постоянное напряжение значением ниже или иногда выше 220В.

Эти задачи и решают источники питания или их еще называют блоки питания. Основные составные части блоков питания: трансформаторы, выпрямители, фильтры, стабилизаторы, схемы защиты от перегрузок.

Рассмотрим по порядку.

Трансформатор (Тр1) преобразует переменное напряжение сети 220В в переменное напряжение нужной величины, например 12В.

Выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Простейший (однополупериодный) выпрямитель:

Когда положительная полуволна, в точке «а» плюс, в точке «b» минус, диод открыт и через нагрузку течет ток. При отрицательной полуволне, плюс в точке «b», а в точке «а» минус. Диод закрыт, ток через нагрузку не течет.

Двухполупериодный выпрямитель:

Когда на обмотке трансформатора положительная полуволна, в точке «а» плюс, в точке «b» минус. Ток течет, от точки «а» через диод D2 , через нагрузку R и далее диод D4 к точке «b».

При отрицательной полуволне на обмотке трансформатора, в точке «b» плюс, а в точке «а» минус. Ток течет от точки «b» через диод D3 через нагрузку R диод D1 к точке «а». Как видим, при положительной и отрицательной полуволне ток через нагрузку R протекает в одном направлении, на схеме сверху вниз. При положительной полуволне открыты диоды D2 и D4, а диоды D1 и D3 заперты. При отрицательной полуволне открыты диоды D1 и D3, а диоды D2 и D4 заперты.

Двухполупериодный выпрямитель может отдавать в нагрузку в два раза большую мощность, по сравнению с однополупериодным выпрямителем.

Напряжение на выходе выпрямителей представленных выше однополярное, но еще не постоянное. Такая форма напряжения называется пульсирующей. Чтобы это напряжение стало постоянным, пульсации нужно сгладить. Для этого на выходе выпрямителя подключают фильтр.

Фильтр может состоять из конденсатора, резистора и конденсатора, индуктивности и конденсатора и называться соответственно C, RC или LC .

Чем больше допустимый ток на выходе выпрямителя, тем больше величина емкости конденсатора, который нужно применять в фильтре.

Когда волна пульсации растет, конденсатор будет заряжаться, когда волна падает, конденсатор разряжается и таким образом превращает пульсирующее напряжение, в постоянное которое выглядит на графике как прямая линия.

Основными недостатками рассмотренных выпрямителей являются:

— зависимость выходного напряжения от изменения входного. Допустим , напряжение в розетке стало меньше на 10%. Если на выходе выпрямителя было 12 В, оно так же уменьшится на 10% и станет 10,8 В, что для некоторых устройств недопустимо.

— зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, при больших токах напряжение уменьшается.

— сглаживание пульсирующего напряжения одними фильтрами при больших токах в нагрузке недостаточно эффективно. Из-за этого в динамиках усилителей слышится фон переменного тока с частотой сети 50 Гц, или кратной ей, на изображении телевизоров видны темные горизонтальные полосы и т.д.

— в случае перегрузки отсутствует защита элементов выпрямителя от выхода из строя.

Видео, поясняющее принципы работы одно и двухполупериодного выпрямителя:

Важным параметром блока питания является мощность. Например, есть батарея для квартирного звонка на 12 В и есть автомобильный аккумулятор на 12 В. По напряжению они одинаковы, но  отличаются по размеру и весу в сотни раз. Это потому, что мощность автомобильного аккумулятора намного больше мощности батареи звонка.

Автомобильный аккумулятор напряжением 12 В и емкостью 60 А/час имеет мощность порядка 720 Вт, а батарея звонка напряжением 12 В и емкостью 0,25 А/час имеет мощность около 3 Вт. Мощность  нагрузки, подключаемой  к аккумуляторам, батареям и блокам питания не должна превышать их допустимой мощности. Чем более длительно работает устройство, тем больший запас по мощности должен иметь его источник питания.

Что будет если не соблюдать это условие?

Например, если подключить батарею звонка к стартеру автомобиля, напряжение батареи с 12 В упадет до 0, стартер даже не заметит что на него подано питание. Для самой же батареи это равносильно короткому замыканию и она может выйти из строя.

Если же автомобильный аккумулятор подключить к звонку, то и аккумулятор и  звонок будут работать очень долго, но здесь другая проблема, не совсем сочетаются габариты и стоимость.

Вывод.

Перегружать источники питания нельзя. При перегрузке они будут выдавать пониженное напряжение, греться и выходить из строя. При больших перегрузках источники питания могут вообще не обеспечить нужным напряжением нагрузку, в результате чего она может выйти из строя.

Блоки питания Трансформаторы и выпрямители

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Описать принципы работы трансформаторов, используемых в основных источниках питания.
• • Первичное и вторичное напряжение.
• • Изоляция.
• Описать принципы выпрямления, используемые в основных источниках питания.
• • Половина волны.
• • Полная волна.
• • Мост.

Трансформатор

Рис. 1.1.1 Типовой входной трансформатор

В базовом источнике питания первичная обмотка входного силового трансформатора подключена к сети (линии). Вторичная обмотка, электромагнитно связанная, но электрически изолированная от первичной, используется для получения переменного напряжения подходящей амплитуды и после дальнейшей обработки блоком питания для управления электронной схемой, которую она должна питать.

Ступень трансформатора должна обеспечивать необходимый ток. Если используется слишком маленький трансформатор, вполне вероятно, что способность источника питания поддерживать полное выходное напряжение при полном выходном токе будет нарушена. При слишком маленьком трансформаторе потери резко возрастут, так как на трансформатор будет возложена полная нагрузка.

Поскольку трансформатор, вероятно, является наиболее дорогостоящим компонентом блока питания, необходимо уделить особое внимание соотношению затрат с вероятным потреблением тока. Также может потребоваться предохранительное устройство, такое как плавкие предохранители для отключения трансформатора в случае перегрева, и электрическая изоляция между первичной и вторичной обмотками для обеспечения электробезопасности.

Ступень выпрямителя

Можно использовать три типа схемы выпрямителя на кремниевых диодах, каждая из которых имеет различное действие в отношении того, как входной переменный ток преобразуется в постоянный. Эти различия проиллюстрированы на рис. 1.1.2 – 1.1.6

Однополупериодный выпрямитель

Рис. 1.1.2 Однополупериодный выпрямитель

Рис. 1.1.3 Двухполупериодный выпрямитель

Рис. 1.1.4 Мостовой выпрямитель

Рис. 1.1.5 Ток Поток в положительном полупериоде

Рис. 1.1.6 Поток тока в отрицательном полупериоде

Для получения постоянного напряжения от входа переменного тока можно использовать один кремниевый выпрямительный диод, как показано на рис. 1.1.2. Эта система дешева, но подходит только для довольно нетребовательных применений. Напряжение постоянного тока, создаваемое одним диодом, меньше, чем в других системах, что ограничивает эффективность источника питания, а количество пульсаций переменного тока, остающихся в источнике постоянного тока, обычно больше.

Однополупериодный выпрямитель проводит только половину каждого периода входной волны переменного тока, эффективно блокируя другой полупериод, оставляя выходную волну, показанную на рис. 1.1.2. Поскольку среднее значение постоянного тока одного полупериода синусоиды составляет 0,637 от пикового значения, среднее значение постоянного тока всего периода после полупериода выпрямления будет равно 0,637, деленное на 2, поскольку среднее значение каждого чередующегося полупериода, где диод не проводит, конечно будет ноль. Это дает результат:

Впик x 0,318

Это число является приблизительным, так как амплитуда полупериодов, в течение которых диод проводит, также будет уменьшена примерно на 0,6 В из-за прямого падения напряжения (или потенциала прямого соединения) кремниевого выпрямительного диода. Это дополнительное падение напряжения может быть незначительным, когда выпрямляются большие напряжения, но в источниках питания низкого напряжения, где переменный ток от вторичной обмотки сетевого трансформатора может составлять всего несколько вольт, это падение 0,6 В на диодном переходе, возможно, придется компенсировать. для, имея немного более высокое вторичное напряжение трансформатора.

Однополупериодное выпрямление не очень эффективно для получения постоянного тока из входного переменного тока с частотой 50 Гц или 60 Гц. Кроме того, промежутки между выходными импульсами диода 50 или 60 Гц затрудняют удаление пульсаций переменного тока, оставшихся после выпрямления.

Двухполупериодное выпрямление

Если используется трансформатор со вторичной обмоткой с отводом от середины, можно использовать более эффективное двухполупериодное выпрямление. Вторичная обмотка с отводом от центра производит два противофазных выхода, как показано на рис. 1.1.3.

Если каждый из этих выходов является «полупериодным выпрямлением» одним из двух диодов, при этом каждый диод проводит через чередующиеся полупериоды, в каждом цикле возникает два импульса тока вместо одного за цикл при полупериодном выпрямлении. Таким образом, выходная частота двухполупериодного выпрямителя вдвое превышает входную частоту. Это эффективно обеспечивает удвоенное выходное напряжение полуволновой схемы, Vpk x 0,637 вместо Vpk x 0,318, поскольку «отсутствующий» полупериод теперь выпрямляется, уменьшая потери мощности в полуволновой схеме. Более высокая выходная частота также облегчает сглаживание любых оставшихся пульсаций переменного тока.

Хотя эта двухполупериодная конструкция более эффективна, чем полуволновая, для нее требуется трансформатор с центральным отводом (и, следовательно, более дорогой).

Мостовой выпрямитель

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода, расположенных по мостовой схеме, как показано на рис. 1.1.4, для обеспечения двухполупериодного выпрямления без необходимости использования трансформатора с отводом от средней точки. Дополнительным преимуществом является то, что, поскольку два диода (фактически последовательно) проводят ток в любой момент времени, диодам требуется только половина обратного напряжения пробоя, т. е. максимальное рабочее пиковое обратное напряжение (V _RWM )’ возможности диодов, используемых для однополупериодного и обычного двухполупериодного выпрямления. Мостовой выпрямитель можно построить из отдельных диодов или использовать комбинированный мостовой выпрямитель.

Пути тока на положительных и отрицательных полупериодах входной волны показаны на рис. 1.1.5 и рис. 1.1.6. Видно, что в каждом полупериоде проводят противоположные пары диодов, но ток через нагрузку остается одной полярности в течение обоих полупериодов.

 

Блок питания переменного тока: рекомендации по совместному использованию трансформаторов

Прочтите эту статью перед включением питания системы и возможностью повреждения оборудования при использовании одного и того же трансформатора переменного тока для устройств с другим типом выпрямителя.

Многие ваши устройства управления, датчики с питанием и т. д. позволяют использовать для питания постоянный или переменный ток.

Электроника внутри таких устройств всегда будет работать от внутреннего источника постоянного тока. Выпрямитель встроен в цепь питания устройства для преобразования возможной входной мощности переменного тока в требуемую внутреннюю мощность постоянного тока.

Выпрямители не все одинаковы, в основном есть 2 типа:

• Однополупериодные выпрямители, более дешевый и неэффективный вариант, обычно применяемый для устройств, где незначительные различия в стоимости имеют большое значение
• Двухполупериодные выпрямители, более дорогие и более эффективные, обычно применяемые в основных устройствах управления

 

Сочетание однополупериодных и двухполупериодных выпрямительных устройств, питаемых от одного и того же трансформатора переменного тока, может привести к проблемам.

Как только между этими устройствами будет установлено «управляющее» заземление (сеть, ввод-вывод…), некоторые из них, вероятно, будут повреждены. По этой причине многие производители рекомендуют использовать отдельные трансформаторы для каждого устройства управления.

Ниже в этой статье мы собираемся более подробно объяснить различия между двумя выпрямителями и постараемся помочь вам решить потенциальные проблемы, с которыми вы можете столкнуться.

 

Источники питания постоянного тока не подвержены этой проблеме, но правильная полярность (+ и -) обычно даже важнее для однополупериодных выпрямительных устройств: неправильное подключение питания не будет работать и может привести к повреждению устройство.

 

Некоторые примеры устройств, в которых проблема указана непосредственно в документации производителя, включают контроллер Tridium EDGE10: дешевый способ встроить Niagara в надежное решение, разработанное как масштабируемое и недорогое средство управления для периферийных устройств, этот контроллер не включить двухполупериодный выпрямитель, но полуволновой. В инструкции по подключению это видно:

Однополупериодный и двухполупериодный выпрямитель, в чем разница?

Однополупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель представляет собой фильтр, пропускающий только положительную часть волны.

Глядя на изображения ниже, мы видим, что диод «D» пропускает положительную волну. Конденсатор фильтра может заряжаться во время этого переходного процесса, и ток течет непосредственно к электронике устройства.

При прохождении отрицательного переходного процесса диод останавливает ток от внешнего трансформатора. Конденсатор фильтра разряжает накопленную энергию на электронику устройства.

 

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель работает по аналогичному принципу, но диодный мост позволяет использовать как положительные, так и отрицательные переходные процессы синусоидальной волны, эффективно преобразовывая отрицательные переходные процессы. в другой положительный внутренне.

При положительном переходном процессе диод D1 пропускает поток. Ток питает конденсатор фильтра и электронику устройства. Затем диод D3 позволяет цепи замкнуться обратно на трансформатор.

При отрицательном переходном процессе диод D2 пропускает ток точно в том же «положительном» направлении, что и положительный переходный процесс. Ток питает конденсатор фильтра и электронику устройства. Затем диод D4 позволяет цепи замкнуться обратно на трансформатор.

 

Когда могут возникнуть проблемы?

Допустим, что в целом безопаснее использовать отдельные трансформаторы для устройств, реализующих различные типы внутренних цепей.

Но если у вас есть блок двухполупериодного выпрямителя, подвергающийся воздействию некоторых управляющих выходов (последовательная шина, общие разъемы ввода-вывода и т. д.) уровня преобразования постоянного тока, вы можете быть особенно осторожны при совместном использовании источников питания или при заземлении. .

Давайте посмотрим на 2 примера, которые я только что сделал для этого.

 

Пример 1: заземляет все.

Всегда проверяйте документацию устройства, что следует заземлять, а что нет. Допустим, у вас есть устройство ниже, устройство двухполупериодного выпрямителя с выпрямленным общим «-», также имеющимся на выходах. Если бы вы заземлили его, а также вторичную сторону трансформатора, как это было бы совершенно нормально для таких устройств, как линейка iSMA, вы могли бы получить петлю, которая закорачивала бы трансформатор при переходных процессах отрицательной волны через диод D4: 9.0025

 

Пример 2: смешанных устройств, использующих один и тот же трансформатор.

Допустим, у вас есть контроллер EDGE10, использующий двухполупериодный выпрямитель (устройство внизу) и универсальное двухполупериодное устройство (вверху), и оба они могут питаться от сети 24 В переменного тока.

Вы решили использовать один и тот же трансформатор 24 В переменного тока для питания обоих. Если устройство двухполупериодного выпрямителя в верхней части открывает контакты, разделяющие общий выпрямленный «-», и вы планируете соединить его с «-» устройства однополупериодного выпрямления, 2 замкнет петлю, которая вызовет короткое замыкание через диод D4 на переходных процессах отрицательной волны:

 

Общие признаки этой проблемы

• Перегорание предохранителей при включении питания системы
• Диод, замыкающий трансформатор (D4), не открывается, повреждая устройство
• Диод, замыкающий трансформатор (D4), неисправен, закорочен, что повредило несколько устройств
• Из-за отказа диода вы можете заметить «горение» на печатной плате неисправного устройства, скорее всего, возле разъема питания, где должны быть цепи управления питанием, возможно, с черным пятном вокруг вышедшего из строя выпрямителя

 

В заключение

Производители могут рекомендовать использовать отдельные трансформаторы (см. документацию по монтажу Jace ЗДЕСЬ и документацию по монтажу EDGE10 ЗДЕСЬ), и они дадут вам указания о том, как правильно заземлить устройство. Мы рекомендуем тщательно следовать указаниям производителя , чтобы избежать каких-либо проблем.

Если вы планируете отклониться от рекомендаций производителя, вы фактически берете на себя ответственность за любой связанный с этим риск, поэтому важно рассмотреть всю информацию, представленную в этой статье, чтобы принять более взвешенное решение, прежде чем продолжить.

Это означает, что вы можете тщательно рассмотреть возможность использования одного и того же трансформатора, только если:

• Вы питаете точно такие же устройства
• Вы точно знаете, что разные устройства используют один и тот же тип выпрямителя
• Невозможно создать короткое замыкание, например зная, что общие точки изолированы (т.е. оптоизолированные последовательные порты) или вообще не подключены. Имейте в виду, что в некоторых случаях даже просто заземленная вторичная сторона трансформатора может легко привести к короткому замыканию, как указано в примерах выше 9. 0004

Номинальные характеристики трансформатора PowerVolt для источника питания

Цель этой статьи — предоставить практическое руководство по выбору номинальных характеристик трансформатора источника питания. Для простоты этого обсуждения были сделаны различные основные предположения.

Номинальные характеристики трансформатора зависят от типа используемого фильтра и конфигурации выпрямителя. Наиболее часто используемыми типами фильтров являются индукторные и емкостные входные фильтры. Однако из-за повышенного веса и соображений стоимости индукторный фильтр не пользуется большой популярностью. В большинстве источников питания используется стабилизатор напряжения, который обеспечивает дополнительное снижение пульсаций, поэтому LC-фильтр не требуется. В результате емкостного фильтра достаточно для большинства приложений, и он очень популярен среди разработчиков источников питания.

Ток, потребляемый вторичной обмоткой трансформатора, зависит от типа используемой схемы выпрямителя. Наиболее часто используемые однофазные цепи:

• Half Wave (один диод) — HW
• Полноволновый центральный ответвитель (два диода) — FWCT
• Полноволновой мост (четыре диода) — FWB
• Двойной дополнительный ректификатор

Однополупериодный выпрямитель прост и недорог. Однако очень высокие пики тока во время интервала емкостной зарядки и однонаправленный постоянный ток во вторичной обмотке трансформатора требуют более крупного сердечника трансформатора, чтобы избежать насыщения. Следовательно, однополупериодный выпрямитель не очень популярен, и единственное время, когда его стоит рассматривать, — это уровни мощности ниже одного ватта.

Половина волны

 

Чаще используются схемы двухполупериодного выпрямителя. Вторичные выбросы тока происходят дважды за цикл, поэтому они меньше по величине при удвоении частоты питания. В выпрямителе FWCT используются два диода, и одновременно нагружается только половина вторичной обмотки трансформатора. С другой стороны, выпрямитель FWB использует 4 диода, а вторичная обмотка трансформатора постоянно нагружена. Для низковольтных источников питания обычно предпочтительнее FWCT, в то время как схема FWB чаще используется для источников более высокого напряжения.

Полноволновой или Полноволновой центральный ответвитель	Полноволновой мост

 

Двойная дополнительная цепь выпрямителя представляет собой комбинацию двух цепей FWCT. Этот тип схемы выпрямителя очень часто используется в источниках питания с двумя выходами, где два выхода имеют обратную полярность с заземлением. Он также называется «мостовым выпрямителем с центральным отводом».

Двойная комплементарная цепь выпрямителя

 

Полноволновой центральный ответвитель (FWCT)

На приведенной выше схеме представлен двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки и емкостным фильтром. Для расчета вторичного напряжения трансформатора можно сделать следующие предположения:

• Вreg, падение напряжения на регуляторе составляет приблизительно 3 В постоянного тока или более
• В пост. тока, падение напряжения на выпрямителе составляет приблизительно 1,25 В постоянного тока или более
• Vripple, напряжение пульсаций составляет примерно 10% пикового значения выходного напряжения.

Затем можно использовать следующую формулу для определения номинального вторичного напряжения трансформатора:

, где 0,9 — типичный КПД выпрямителя, Vnom = номинальное входное линейное напряжение, а Vlow = требуемое низкое линейное напряжение.

В качестве примера можно рассмотреть блок питания с емкостным фильтром и выходом 24 В постоянного тока при 2,4 А для работы при низком сетевом напряжении 95 В переменного тока.

Следовательно, вторичное напряжение трансформатора может быть указано как 59 В переменного тока с отводом от середины.

Для точного определения среднего среднеквадратичного значения рейтинга манжеты необходимо выполнить сложные расчеты. Однако для всех практических целей приведенную ниже таблицу можно безопасно использовать.

Тип выпрямителя

Тип выпрямителя	Тип фильтра	Вторичный среднеквадратичный ток
Полноволновой центральный метчик	Вход дросселя	= 0,7 x ампер постоянного тока
Полноволновой центральный метчик	Вход конденсатора	= от 1 до 1,2 x ампер постоянного тока
Полноволновой мост	Вход дросселя	= 1 х постоянный ток
Полноволновой центральный метчик	Вход конденсатора	= от 1,6 до 1,8 x ампер постоянного тока

 

В приведенном выше примере среднеквадратичное значение тока вторичной обмотки трансформатора должно быть: 1,2 x 2,4 = 2,88 А (действующее значение). Полная спецификация трансформатора может быть определена следующим образом: 59VCT @ 2,88 A с 170 ВА

 

Полноволновой мост (FWB)

Те же соображения для FWCT также применимы к FWB. Разница только в том, что падение выпрямителя вдвое больше (4 диода вместо 2-х). Следовательно, для тех же выходных требований, что и выше, Vрект. = 2 x 1,25 = 2,5 В.

То есть напряжение переменного тока может быть указано на уровне 30,5 В переменного тока. Согласно таблице выше номинал манжеты для емкостного фильтра должен составлять 1,8 x 2,4 = 4,32 А (среднеквадратичное значение). Таким образом, полные технические характеристики трансформатора могут быть определены как: 30,5 В при 4,32 А с 132 ВА

Двойной дополнительный источник питания

Расчет, описанный выше для FWCT, также применим к двойной дополнительной цепи. Рассмотрим пример источника питания с двумя выходами, 15 В постоянного тока при 800 мА. Таким образом, Vout = 15 В, Vreg = 3 В, Vrect = 1,25 В, Vripple = 0,75 В (1,0 В пик-пик)

Таким образом, VAC = 38 В с отводом посередине; IAC = 1,8 x 800 = 1,44 А, среднеквадратичное значение. Таким образом, вторичная мощность трансформатора может быть определена как: 38VCT @ 1,44 A rms, с 55VA

Наконец, особое внимание следует уделить влиянию высокого входного напряжения. Предполагая, что максимальное входное линейное напряжение составляет 130 В переменного тока, вторичное напряжение трансформатора возрастет в соотношении 130/115 по сравнению с номинальным линейным входом. Таким образом, при входном напряжении 130 В переменного тока для обсуждавшегося выше источника питания 24 В постоянного тока В переменного тока = (130/115) x 29.15 = 33,34 В

Для схемы с двойной комплементарностью VAC = (130/115) x 19 = 21,5 В

Повышение выходного напряжения должно снижаться на стабилизаторе, что приводит к увеличению рассеиваемой мощности на стабилизаторе. Все конкретные случаи должны быть проверены на безопасную работу в этих условиях.