2. Теоретическая часть

2.1. Обобщенная структура источников вторичного электропитания

Для любого электронного устройства необходим источник питания, который должен выдавать в общем случае одно или несколько значений постоянного напряжения. Его получают путем трансформирования и последующего выпрямления напряжения электрической сети. Полученное таким образом напряжение питания, как правило, имеет заметные пульсации и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжений электрической сети. Поэтому в цепь питания обычно включают стабилизатор напряжения, который компенсирует эти изменения напряжения.

В общем случае стабилизированные источники вторичного электропитания состоят из функциональных узлов, показанных на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура схема источника вторичного электропитания с трансформаторным входом: ИП - источник питания;

Т – трансформатор; В – схема выпрямителей; Ф – фильтр; СН – стабилизатор напряжения

В этой лабораторной работе ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ ИП является генератор переменного напряжения (генератор звуковых частот). Далее сигнал с генератора поступает на вход трансформатора Т, который предназначен для преобразования электрического напряжения по амплитуде и получения из напряжения одного значения группы напряжений пропорциональных друг другу.

ТРАНСФОРМАТОР Т это устройство, состоящее из двух (или более) связанных катушек индуктивности (одна из которых называется первичной, а другие вторичными обмотками). Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки, пропорционально напряжению переменного тока, поданному на первичную обмотку, причем коэффициент изменения (трансформации) напряжения прямо пропорционален отношению числа витков обмоток трансформатора, а коэффициент изменения тока обратно пропорционален. Таким образом мощность сохраняется неизменной.

Трансформатор обладает весьма высоким коэффициентом полезного действия (мощность его на выходе почти равна мощности на входе); в связи с этим повышающий трансформатор обеспечивает рост напряжения при уменьшении тока, а понижающий трансформатор обеспечивает уменьшение напряжения при повышении тока.

В электронных приборах трансформатор выполняет две важные функции: во-первых, он преобразует напряжение переменного тока электрической сети к необходимому, обычно к более низкому по амплитуде значению, которое можно использовать в схеме, и, во-вторых, он «изолирует» электронную схему от непосредственного контакта с силовой сетью, так как обмотки трансформатора электрически изолированы одна от другой.

Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять амплитуду и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).

Различают трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы.

Трансформаторы питания электронной аппаратуры – это

трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств.

Сигнальные трансформаторы – это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования, а иногда и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов).

Коэффициент передачи трансформатора изменяется в зависимости от частоты входного сигнала. Рассмотрим это на примере эквивалентной схемы трансформатора и ее изменении в области низких, средних и высоких частот рис. 1.2.

Рис. 1.2. Эквивалентные схемы:

а – трансформатора; б – приведенного трансформатора; в – для областей низких частот; г – средних; д – высоких частот;

R₁ , R₂ – активные сопротивления провода обмоток;

L_s1, L_{s 2} – индуктивности рассеяния обмоток; M – взаимоиндуктивность; R_пот – сопротивление, отражающее наличие потерь в магнитопроводе;

C – приведенная собственная емкость трансформатора

Частотные искажения сигнала наблюдаются как в области низких, так и в области высоких частот. В области низких частот они обусловлены малым значением сопротивления взаимоиндуктивности

для

M (рис. 1.2, а), в результате чего определенная часть электрического тока, созданного входным сигналом, проходит через нее. В области высоких частот частотные искажения обусловлены наличием у обмоток индуктивностей рассеивания L_s , электромагнитными

потерями в магнитопроводе R_пот а также наличием у обмоток и

между обмотками паразитных емкостей С . Учесть емкости достаточно сложно из-за того, что они имеют распределенный характер и существенно меняются в зависимости от технологии изготовления обмоток. Но с их наличием приходится считаться. На эквивалентной схеме приведенного трансформатора для области высоких частот (рис. 1.2, д) часто вводят приведенную собственную емкость С (иногда емкость подключают параллельно

взаимоиндуктивности или подключают к входным и выходным зажимам).

Для упрощения часто используют эквивалентные схемы трансформатора для областей низких (рис. 1.2, в), средних (рис. 1.2, г), высоких (рис. 1.2, д) частот и приведенную к первичной обмотке эквивалентную схему (рис. 1.2, б).

Нелинейные искажения обусловлены тем, что взаимоиндуктивность M и сопротивление потерь R_пот зависят от значения магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора: M f B , R_пот f B . В результате этого соотношение между

сопротивлениями эквивалентной схемы меняется в зависимости от уровня входного сигнала, а соответственно и изменяется коэффициент трансформации трансформатора. Это приводит к искажениям формы выходного сигнала, которые называются

нелинейными искажениями.

Поэтому рабочую частоту выбирают в той полосе частот, где коэффициент трансформации имеет стабильное значение.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В преобразуют переменное напряжение любой формы в однополярное пульсирующее напряжение состоящее из двух составляющих – постоянной и переменной. В состав выпрямительных устройств входят один или несколько нелинейных элементов, соединенных по одной из известных схем выпрямления электрического сигнала.

Выпрямительными называются устройства, предназначенные

преобразования переменного тока в постоянный ток с

определенной составляющей пульсаций переменного тока, которая зависит от схемы выпрямительного устройства. Для дальнейшего уменьшения переменной составляющей сигнала после выпрямителей обычно подключают различные схемы фильтров.

Основным элементом выпрямительных устройств являются вентили (диоды) приборы, обладающие односторонней проводимостью.

Известны различные типы вентилей: электронные, ионные, полупроводниковые и др. В настоящей работе изучаются только полупроводниковые вентили диоды.

Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 1.3.

а б

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода (а), его условное обозначение (б)

В условном обозначении направление стрелки диода (так обозначают анод (+) элемента) совпадает с направлением тока, второй вывод диода называют катод ( ) элемента. Если приложено

положительное напряжениеU _АК 0 , то диод работает в прямом

направлении. При отрицательном напряжении U_АК 0 диод заперт. Обычно считается, что падение напряжения на диоде,

обусловленное прямым током через него, составляет 0,5 – 0,8 В.Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только

• одном направлении.

• зависимости от количества диодов и схемы их включения различают схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления (подробнее эти схемы будут рассмотрены ниже).

ФИЛЬТР Ф устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций переменной составляющей выпрямленного напряжения, а также для защиты потребителя электроэнергии от помех, поступающих из первичной сети. Кроме сглаживающих фильтров, в состав многих источников вторичного электропитания (ИВЭП) входят помехоподавляющие фильтры. Их основное назначение предотвращение проникновения электромагнитных сигналов, создаваемых ИВЭП, в сеть первичного источника электропитания. Фильтры выполняются на основе конденсаторов, дросселей и резисторов. Так же роль сглаживающих фильтров часто выполняют непрерывные стабилизаторы.

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ СН – устройство,

поддерживающее неизменным напряжение постоянного или переменного тока при воздействии на источник вторичного электропитания различных возмущающих факторов.