Источники питания
1. Определение, назначение и структурная схема источников питания
Все источники делятся на первичные и вторичные.
Первичные – генераторы, солнечные батареи, аккумуляторы.
Они малопригодны для питания электронной аппаратуры, так как современные полупроводниковые электронные устройства предъявляют очень высокие требования к качеству напряжения питания, поэтому источники питания электронных устройств должны обеспечивать высокую стабильность питания напряжения, требуемую форму переменного напряжения, высокую стабильность частоты переменного напряжения и т. д. Для первичных источников трудно реализовать процесс управления напряжением питания и того же устройства разными напряжениями, поэтому для электронных устройств используются вторичные источники питания.
Вторичные источники питания электронной аппаратуры характеризуют по разным признакам:
1. По типу первичного источника:
Вторичные источники, питаемые от сети переменного тока;
Вторичные источники, питаемые от сети постоянного тока.
Источники, питаемые от сети переменного тока, делятся на однофазные и трехфазные.
2. По роду тока на выходе источника:
Выпрямители (с постоянным выходным током);
Инверторы (с переменным выходным током).
3. По мощности на выходе источника:
Источники малой мощности (до 100 Вт);
Источники средней мощности (от 100 до 1000 Вт);
Источники большой мощности (свыше 1000 Вт).
В дальнейшем будем рассматривать только выпрямители, которые преобразуют переменный синусоидальный ток (напряжение) в постоянный ток (напряжение).
Полная структурная схема такого источника имеет вид:
Тр – трансформатор – предназначен для преобразования синусоидального напряжения 
в напряжение 
. Трансформатор осуществляет гальваническую развязку источника первичного напряжения и нагрузки.
ВГ – выпрямительная группа (выпрямитель) – предназначен для преобразования синусоидального напряжения в пульсирующее.
СФ – сглаживающий фильтр – предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
СН – стабилизатор напряжения – предназначен для поддержания постоянного напряжения на нагрузке 
при изменении напряжения питания или самой нагрузки.
В дальнейшем будем считать нагрузку активной.
В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к источникам, отдельные блоки в этой схеме могут отсутствовать.
2. Выпрямители
2.1. Параметры выпрямителей
Выпрямитель преобразует синусоидальное напряжение в пульсирующее и характеризуется следующими параметрами:
1. Среднее значение выпрямленного напряжения: 
Т – период.
– пульсирующее напряжение на выходе выпрямителя.
2. Среднее значение выпрямленного тока: 
; 
– для активной нагрузки.
3. Коэффициент пульсации (КП) выпрямленного напряжения – показывает, на сколько выпрямленное напряжение (ток) отличается от постоянного.
Чем выше 
, тем больше выпрямленное напряжение приближается к постоянному значению.
, 
– амплитуда основной гармоники при разложении выходного напряжения выпрямителя в гармонический ряд Фурье.
4. Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящий период (
).
Рассмотрим схему однофазного однополупериодного выпрямителя.
VD – выпрямительный диод
.
Работает выпрямитель следующим образом: при 
к диоду VD прикладывается прямое напряжение, и он открывается. Здесь и в остальных схемах будем считать диод идеальным, то есть его сопротивление при прямом напряжении равно 0, а при обратном – стремится к бесконечности. Тогда в положительный полупериод сопротивление диода равно 0 (
). Следовательно, все входное напряжение 
приложено к нагрузке, а значит, и к выходу.
При 
диод закрыт, так как к нему приложено 
.
, 
.
Оценим работу этого выпрямителя по параметрам.
Изобразим временные диаграммы.
1. 
, где 
.
2. 
, 
.
3. 
;
; 
.
4. 
.
Основным преимуществом данной схемы является ее простота.
К недостаткам относится высокий коэффициент пульсации и малое значение выпрямленного тока и напряжения.
Применяется для питания высокоомных нагрузочных устройств.
Замечание: диод в выпрямительных схемах является основным элементом.
Для его выбора необходимо знать:
1. Среднее значение прямого тока, которое равно максимальному постоянному нагрузки;
2. Максимальное значение 
на диоде.
Обычно диод выбирается по току так, чтобы средний прямой ток диода был бы больше максимального тока нагрузки (
).
Затем по паспортным данным определяют максимальное обратное напряжение выбранного диода.
Должно соблюдаться условие: 
.
Если такое условие обеспечить невозможно, тогда необходимо в схему включить несколько последовательно соединенных диодов.
2.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления
1. 
.
2. .
3. 
.
4. 
Однофазный мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: большее значение выпрямленного напряжения и тока и значительно меньший коэффициент пульсации.
Основным недостатком является использование четырех диодов вместо одного, но в настоящее время осуществляется выпуск в виде отдельных микросхем, когда в одном корпусе запаяны все четыре диода.
3. Сглаживающие фильтры (СФ)
3.1. Назначение и классификация фильтров
СФ – это устройства, предназначенные для снижения пульсации выпрямленного напряжения.
Для электронных устройств применение СФ обязательно.
Основная количественная характеристика СФ – коэффициент сглаживания (q):
Чем лучше осуществляется снижение пульсации, тем выше q.
Составляющими элементами фильтра являются:
– конденсаторы;
– катушки индуктивности;
– сопротивления;
– транзисторы.
В зависимости от состава фильтра различают:
– емкостные;
– индуктивные;
– электронные.
В зависимости от схемы фильтры разделяются на простые (однозвенные) и сложные (многозвенные, комбинированные).
Сложные фильтры делятся по своему составу на:
– RC-фильтры;
– LC-фильтры.
Сложные фильтры могут быть Г-образные, П-образные и Т-образные.
Любой сложный фильтр можно рассматривать как каскадное соединение простых фильтров. Тогда q сложного фильтра равен произведению q простых фильтров, входящих в его состав, что, естественно, повышает эффективность таких фильтров.
3.2. Емкостной (С) фильтр
Этот фильтр представляет собой конденсатор, который включается параллельно нагрузке.
VD открыт и С заряжается до 
.
Заряд С происходит через диод, включенный в прямом направлении, сопротивление которого очень мало, поэтому заряд происходит быстро.
VD закрыт. Конденсатор С начинает разряжаться через нагрузочное сопротивление. Разряд будет происходить до тех пор, пока напряжение 
не сравняется с положительным значением 
.
Далее процесс периодически повторяется. Ток через диод будет протекать в периоды заряда конденсатора. Как видно из графика, напряжение на выходе фильтра имеет значительно меньше пульсаций, чем на входе фильтра.
Для того, чтобы рассматриваемый фильтр работал эффективно, необходимо, чтобы разряд конденсатора проходил медленно. Для этого требуется, чтобы время разряда было бы больше, чем период его разряда (
), Т – период разряда конденсатора.
Поэтому емкостной фильтр применяется для нагрузок с большим сопротивлением и нагрузок с небольшой мощностью (до нескольких десятков Вт).
Замечание 1: Еще большую эффективность имеет С-фильтр при работе с двухполупериодным выпрямителем.
Замечание 2: Для низкоомной нагрузки может применяться другой простой фильтр (индуктивный – L-фильтр). Он представляет собой катушку с сердечником (дроссель), включенный последовательно с нагрузкой.
Уменьшение пульсации выпрямленного напряжения в этом фильтре обусловлено процессами накопления энергии магнитного поля катушки. С увеличением тока катушки увеличивается энергия поля с некоторым запаздыванием. Аналогично происходит и уменьшение энергии поля с уменьшением тока. Применение простого L-фильтра эффективно только с двухполупериодными выпрямителями и его использование в виде простого фильтра ограничено ввиду больших его габаритов.
3.3. Сложные фильтры
Сложные фильтры формируются из простых и с их помощью можно достигнуть значительного снижения пульсации. Их принцип действия основан на совместном действии простых индуктивных и емкостных фильтров.
Снижение пульсации в LC-фильтрах обусловлено совместном действием катушки и конденсатора. Объясняется это как сглаживающим действием конденсатора 
, так и значительным составляющим падением переменного напряжения на катушке. В то же время постоянная составляющая выпрямленного напряжения практически не изменяется и входит в напряжение на выходе фильтра.
П-образные фильтры имеют большие коэффициенты сглаживания по сравнению с Г-образными. Однако имеют большие габариты, массу и стоимость.
При малых сопротивлениях нагрузки в сложных фильтрах вместо дросселя используют сопротивления. Получают RC-фильтр.
RC-фильтры имеют меньшие габариты, массу и стоимость и используются очень широко. Коэффициент сглаживания RC-фильтров меньше, чем LC-фильтров.
4. Стабилизаторы напряжения
4.1. Назначение, параметры и классификация стабилизаторов напряжения
Стабилизатор напряжения предназначен для уменьшения изменения напряжения на нагрузке при изменениях напряжения питающей сети и при изменении тока нагрузки.
Основным параметром стабилизаторов напряжения является коэффициент стабилизации (
):
,
где 
– изменения напряжения на входе и на выходе.
Чем выше , тем эффективнее стабилизатор.
Стабилизаторы делятся на:
– параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН);
– компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН).
4.2. Параметрический стабилизатор напряжения (ПСН)
Это простейший стабилизатор, в состав которого входят элементы с ярко выраженной ВАХ.
Чаще всего используются стабилитроны.
– балансное сопротивление (служит для ограничения тока стабилитрона)
VD – стабилитрон
.
Анализ работы можно провести графическим методом.
Из построения видно, что при изменении 
напряжение на его выходе 
изменится на меньшую величину.
Если учесть, что рабочая точка А обычно располагается на середине отрезка 
и 
, то изменение напряжения на выходе будет во много раз меньше, чем изменение напряжения на входе.
Таким образом, ПСН поддерживает постоянное напряжение на нагрузке при колебаниях напряжения питающей сети.
Достоинство: простота конструкции и надежность.
Коэффициент стабилизации: 
Недостатки: 1. Невысокий КПД (до 30%);
2. Большое внутреннее сопротивление, а также узкий и нерегулируемый диапазон напряжения.
4.3. Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН)
Это более сложное устройство, представляющее собой систему автоматического регулирования с обратными связями.
Суть состоит в том, что при изменениях напряжения на нагрузке по цепи обратной связи подается сигнал на схему регулирующего элемента, под действием которого выходное напряжение либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от требуемого действия.
РЭ – регулирующий элемент
СУЭ – сравнивающий и усиливающий элемент
ИОН – источник опорного напряжения
В качестве регулирующего элемента чаще всего используется транзистор.
В качестве СУЭ – основная схема неинвертирующего усилителя на основе операционного усилителя.
В качестве ИОНа используется схема на основе стабилитрона.
Такие стабилизаторы обеспечивают 
до 1000 и обладают более высоким КПД (до 70%).
Кроме того, КСН представляет собой САР по отклонению, то есть он поддерживает постоянное напряжение на нагрузке как при колебаниях , так и при изменениях тока нагрузки.
Недостатки: большая сложность конструкции и меньшая надежность, большие габариты, масса и стоимость.
Выпускается в виде интегральных микросхем.
В зависимости от требуемой нагрузки источник питания может и не включать в себя стабилизатор напряжения.
5. Управляемые выпрямители
В устройствах регулирования возникает необходимость изменять, то есть регулировать напряжение источника питания (например, для регулирования частоты вращения ДПТ). Для этих целей используется выпрямитель, в котором функции выпрямления соединяются с функциями изменения среднего значения выпрямленного напряжения. В такого рода схемах вместо диода используется тиристор с током управления (тринистор).
Выпрямительные схемы с использованием тиристоров строятся также, как и диодные схемы: однофазные однополупериодные, двухполупериодные, мостовые трехфазные и др. Самый простой – однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель.
VS – тиристор
СУ – система управления
Тиристор VS открывается в те периоды времени, когда к нему приложено прямое напряжение и подан соответствующий сигнал на управляющий электрод от системы управления.
α – угол управлен
ия тиристором.
Изменяя α, можно изменять форму напряжения на нагрузке, регулирую тем самым средние значения выпрямленного напряжения 
.
Такая система управления называется системой импульсно-фазового управления (СИФУ).
6. Умножители напряжения
Умножитель напряжения – это выпрямитель, соединенный с фильтром. Выпрямитель строится на диодах, а в качестве фильтра используется емкостной фильтр.
Последовательным соединением цепочек диод-конденсатор можно получить схему, на выходе которой значение напряжения будет в 2, 3, 4, 5, 10 раз больше, чем .
Например: удвоитель напряжения.
В первые полпериода, когда VD1 открыт, С1 заряжается до значения, близкого к 
(
). Заряд происходит быстро, так как сопротивление диода в прямом направлении мало. Диод VD2 в это время закрыт.
В следующие полпериода открывается VD2 и закрывается VD1. Происходит заряд С2 через VD2. Конденсатор заряжается до значения, близкого к (
). Так как конденсаторы соединены последовательно и подключены параллельно нагрузке, то 
При работе этой схемы необходимо обеспечить условия, чтобы С1 и С2 не успевали разрядиться в непроводящий полупериод. Так как разряжаются конденсаторы через нагрузку 
, то ее значение берут очень большим, чтобы время разряда: 
.
Все умножители напряжения работают на высокоомную нагрузку.
