курсовик по электронике (Методичка для лабораторных работ), страница 7

Блоки питания

Современная электронная аппаратура, базируется на полупроводниковых элементах, которые требует для своего питания источники постоянного тока. В зарубежной литературе источники постоянного тока обозначаются буквами DC (от слов direct current). Однако промышленная электронная аппаратура, как правило, питается от электросети с переменным током, который в зарубежной литературе обозначается буквами AC (от слов alternating current). Таким образом, назначение блоков питания в промышленной электронной аппаратуре состоит в преобразовании переменного тока, как правило, с напряжением 220 вольт, в постоянный ток с низким напряжением, как правило, в диапазоне от 3 до 24 вольт. Такие блоки питания в зарубежной литературе обозначаются как AC – DC блоки.

Еще совсем недавно типовой сетевой блок питания состоял из следующих узлов: трансформатора, понижающего напряжение 220 вольт до требуемого низкого уровня, выпрямителя, преобразующего знакопеременное напряжение в пульсирующее напряжение, низкочастотного фильтра, сглаживающего пульсации, и стабилизатора напряжения линейного типа, несколько снижающего напряжение на выходе фильтра, но обеспечивающего при этом постоянство его величины. Такой блок питания по праву считается классическим, а стабилизатор напряжения называется линейным. Однако такой блок питания обладает двумя недостатками.

Во-первых, стабилизатор напряжения линейного типа обладает низким КПД. Если обозначить напряжение на выходе фильтра U_ф, а напряжение на выходе линейного стабилизатора U_ст, ток на выходе фильтра I_ф,- то мощность P = I_ф (U_ф - U_ст) переводится в тепло и безвозвратно теряется. Во-вторых, трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, обладает большими габаритами и большой массой.

Современные энергосберегающие технологии потребовали отказа от линейных стабилизаторов напряжения и привели к разработке экономичных импульсных стабилизаторов напряжения. Конкуренция же в области бытовых электронных приборов потребовала уменьшения их массы и габаритов, поэтому здесь стараются отказаться от применения трансформаторов, работающих на частоте 50 Гц. Для этих целей используют блоки питания с высокочастотными трансформаторами. В этом случае сначала сетевое напряжение 220 В выпрямляют, а затем фильтруют, получая постоянное напряжение порядка 300 В. Далее следует устройство, именуемое в зарубежной литературе как DC - DC конвертор, которое преобразует постоянное высокое напряжение порядка 300 В в необходимые уровни низкого напряжения, которых бывает, как правило, несколько. DC - DC конвертор включает в себя импульсный стабилизатор напряжения с высоким КПД. Для сравнения скажем, если классические блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения имеют КПД порядка 40 – 55%, то импульсные блоки питания имеют КПД 60 –80%.

Классические блоки питания весьма полно рассмотрены в литературе. Они изучались в курсе электроники и рассмотрены в частности в лабораторной работе «Диоды в источниках питания». Конверторы DC - DC типа комплектуются, как правило, импортными деталями и поэтому оказываются дороже классических блоков питания с линейными стабилизаторами напряжения.

Рассмотрим в качестве компромиссного решения схему блока питания отечественного принтера, построенную полностью на дешевых отечественных деталях. Особенность этой схемы состоит в том, что используются два трансформатора. Первый трансформатор низкочастотный, он понижает сетевое напряжение 220 В с частотой 50 Гц до напряжения 21 В. Это напряжение выпрямляется и поступает на DC - DC конвертор, содержащий высокочастотный трансформатор и высокоэкономичный импульсный стабилизатор напряжения, который в дальнейшем для краткости будем обозначать ИСН. Наличие трансформатора не позволяет уменьшить его габариты и массу, но ИСН обеспечивает повышенный КПД. Принципиальная схема блока питания представлена на рис.15.

C7

C8

C9

C10

C11

II

III

C2

C3

C4

C5

C1

SA1

L1

L2

T1

I

FU4

VD1-VD4

VD5-

VD8

C6

FU3

FU1

220В

FU2

220В

+24В

Заземление блока

FU5

II

T2

I



4

3

7

2

6

R3

5

8

R1

R2

C15

VT1

VT2

C14

C16

VD9

C20

C19

C18

C21

U _стаб

+12в

C121

DA1

III

C17

VD10

U _стаб

-!2В

VD11

VD12

R4

R5

R6

R7

R8

R9

C136

КТ3

L3

U _стаб +5В

Рис. 15 Принципиальная схема блока питания.

Блок питания вырабатывает три уровня стабилизированного постоянного напряжения: +5 В, +12 В и –12 В. Наибольшая мощность у секции с напряжением +5 В, поэтому именно в этой секции осуществляется стабилизация напряжения. Напряжение в двух других секциях зависит от напряжения в первой, и поэтому тоже является стабилизированным, но в меньшей степени.

Основным элементом ИСН является операционный усилитель DA1, выполняющий функции компаратора, который сравнивает напряжение в секции +5 В с опорным напряжением на стабилитроне VD9 и делителе напряжения R1, R2. R4. Сигнал с выхода компаратора поступает на составной транзистор VT1 - VT2. Компаратор работает в ключевом режиме, поэтому усиленный сигнал в цепи коллектор – эмиттер транзистора VT2 также может иметь два уровня высокий и низкий. Схема работает как релаксационный генератор с частотой около 20 кГц.

При включении тумблера SA1, во вторичной обмотке трансформатора Т1 появится переменное напряжение с частотой 50 Гц, которое будет выпрямлено двухполупериодным выпрямителем VD1 – VD4 и сглажено от пульсаций фильтром C7, C8, C9, C12. Стабилитрон VD9 и резисторы R1, R2, R4 образуют обычный параметрический стабилизатор напряжения, поэтому на инверсном входе DA1 (ножка 3) всегда поддерживается напряжение +5 вольт. Напряжение в точке КТ3 не может сразу достичь необходимого уровня, т.к. первичная обмотка трансформатора Т2 обладает реактивным сопротивлением, и ток в ней может нарастать только постепенно. Поэтому напряжение в КТ3 и на прямом входе компаратора (ножка 4) в первый момент будет менее +5 вольт. Из этого следует, что на выходе компаратора (ножка 7), который сравнивает напряжение на прямом и инверсном входах, будет низкий уровень. Низкий уровень напряжения передается на базу транзистора VT1 p-n-p типа. Более высокий уровень напряжения на эмиттере этого транзистора, чем на базе, сместят его эмиттерный переход в прямом направлении, и транзистор будет открыт. Потенциал на базе транзистора VT2 n-p-n типа окажется выше, чем на эмиттере и он также откроется, что и обеспечит протекание тока в первичной обмотке трансформатора Т2.

Как только напряжение в точке КТ3 и на прямом входе DA1 превысит +5 вольт, на выходе компаратора установится высокий уровень напряжения и поэтому закроется транзистор VT1, а следом за ним транзистор VT2, что приведет к появлению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке трансформатора Т2. Ток, образованный ЭДС самоиндукции, будет протекать через диод VD10. Во вторичных обмотках трансформатора Т2 при этом также возникает электрический ток, который зарядит конденсаторы C16, C17, до нужной величины. Величина напряжения на конденсаторах C16, C17 определяется подбором количества витков вторичной обмотки трансформатора Т2.

Количество витков в обмотке II меньше, чем в обмотке III, т.к. она включается последовательно с главной секцией +5В и добавляет недостающее напряжение +7В. Направление навивки этих обмоток противоположное, т.к. секция II обеспечивает получение напряжения +7В, а обмотка III - 12В.

Таким образом, индуктивность первичной обмотки трансформатора определяет колебательный режим работы генератора на заданной частоте, а вторичные обеспечивают напряжением слаботочные секции.

Конденсатор C12 устраняет паразитную генерацию колебаний в цепи управления составным транзистором. Конденсатор C15 служит для ослабления импульсных помех.

ИСН реагирует как на изменение величины напряжения в электросети, так и на величину тока потребления в главной секции +5В, путем изменения скважности сигнала в его первичной обмотке I. При уменьшении сетевого напряжения скважность сигнала в первичной обмотке уменьшится. При увеличении тока нагрузки в секции +5В скважность сигнала в первичной обмотке также уменьшится. Благодаря этому напряжение в секции +5В будет поддерживаться на постоянном уровне.

Расчет элементов блока питания

Расчет низкочастотного трансформатора

При выполнении блока питания по схеме на рис. 15 суммарная мощность потребляемая всеми секциями определяется формулой: