• Объявления

    • admin

      Просьба всем принять участие!   24.11.2017

      На форуме разыгрывается спектроанализатор Arinst SSA-TG LC (цена 18500 руб). Просьба всем перейти по ссылке ниже и принять участие!
Дeн

Faq Источники Питания

3 сообщения в этой теме

Дeн    40

Любые электронные устройства для своей работы требуют источника питания, поэтому у каждого кто начинает заниматься созданием электронных устройств, возникают вопросы, связанные с выбором источника питания своей схемы. Но и в дальнейшем по мере совершенствования своих навыков, со сборкой более сложных, потребляющих большую мощность схем, перед радиолюбителями встают вопросы улучшения своих источников питания в плане увеличения мощности, добавления стабилизации и возможности регулировки выходного напряжения. Помимо этого во многих схемах используются свои собственные стабилизаторы напряжения. Для помощи в выборе источника питания, разъяснения основных понятий связанных с работой силовой электроники создался данный FAQ.

В: Какие источники питания бывают?

О: Для питания любого электронного устройства необходим источник электрической энергии, в качестве которых могут выступать:

  • химические не возобновляемые (не заряжаемые) источники энергии к ним относятся:
    • Щелочные,
    • Солевые,
    • Литиевые,
    • Литий тионил-хлоридные,
    • Цинк-хлоридные и т.п. батарейки
  • химические заряжаемые источники энергии:
    • Pb - Свинцово-кислотные и свинцово-щелочные
    • NiCd - никель кадмиевые
    • NiMh - никель металгидридные
    • LiIon – литий ионные
    • LiPol – Литий полимерные
    • SN – сернонатриевые и т.п.
  • Солнечные батареи
  • Преобразователи механической энергии в электрическую
    • Генераторы постоянного тока
    • Генераторы переменного тока
  • Преобразователи напряжения
    • AC/AC – Понижающие/повышающие преобразователи переменного тока (трансформаторы и т.п.)
    • AC/DC – Понижающие/повышающие преобразователи (выпрямители) переменного тока в постоянный
    • DC/AC – Понижающие/повышающие преобразователи (инверторы) постоянного тока в переменный
    • DC/DC Понижающие/повышающие/инвертирующие преобразователи постоянного тока в постоянный

В: Какой тип источника питания следует выбрать?

О: Выбор типа источника питания зависит от используемой схемы.

  • Для питания портативной малопотребляющей аппаратуры, такой как пульты дистанционного управления, часы и т.п. предназначенной для продолжительной работы от одного источника питания применяют химические не возобновляемые источники энергии. Они имеют относительно высокие показатели удельной энергоемкости и низкий саморазряд.
  • Химические заряжаемые источники энергии применяют в портативной аппаратуре с более высоким энергопотреблением и в качестве источников резервного питания. Имеют возможность восстанавливать энергию (заряжаться), но при этом имеют более высокий саморазряд, что ограничивает применения для продолжительной работы на малую нагрузку без подзаряда.
  • Солнечные батареи применяют для работы автономной аппаратуры к которой нет возможности периодического обслуживания (космические спутники, удаленные от населенных пунктов объекты) и в качестве альтернативного источника электроэнергии. Требуют для своей работы освещение, от которого сильно зависит выдаваемая мощность, в связи с этим зачастую используют совместно с химическими заряжаемыми источниками для аккумулирования энергии.
  • Преобразователи механической энергии в электрическую применяются для получения электрической энергии из механической при помощи преобразователей – генераторов. Используются в автомобилях, на классических электростанциях (ТЭС, ГЭС, АЭС), в мобильных генераторных установках. Являются основным источником электрической энергии на планете.
  • Преобразователи напряжения применяются для работы в большинстве электроаппаратуры работающей от сети и от других источников энергии.

В: Чем отличаются напряжение в сети и напряжение на батарейке и почему на батарейке написано + и – а на розетке этого нет?

О: Напряжение на батарейке имеет одно и тоже значение и знак. При разряде батарейки напряжение незначительно уменьшается. Напряжение в сети имеет знакопеременную форму синусоидального сигнала, или другими словами напряжение в розетке постоянно изменяет свою полярность, таким образом + и – постоянно меняются. Скорость изменения напряжения в сети соответствует 50Гц, т.е. 50 раз в секунду. Форма изменяющегося сигнала – синусоидальная. Действующее значение напряжения (эквивалентное напряжение постоянному при подключении активной нагрузки) составляет 220В, максимальное (амплитудное) 220 * корень из 2 (~310В). В розетке имеется два контакта, один их них называется нуль, а второй фаза. Нуль имеет тот же потенциал, что и земля, а напряжение фазы постоянно изменяется относительно нуля.

В: Чем отличается одно и трех фазные цепи?

О: Симметричная трех фазная цепь – это совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковых по амплитуде и частоте, сдвинутых относительно друг друга на угол 120 градусов. Таким образом Одна трехфазная цепь представляет из себя три однофазных со сдвинутым по фазе напряжением. Если взять одну фазу из трехфазной сети и нулевой провод, то получится однофазная сеть.

В: Какие основные параметры, характеризующие сетевые источники питания?

О: К основным параметрам для выбора сетевых источников питания является форма выходного сигнала (переменный или постоянный ток), максимальная выдаваемая мощность и напряжение. Некоторые источники питания имеют возможность регулировки либо выбора из нескольких возможных значений выходного напряжения. А также существуют стабилизированные и не стабилизированные источники питания.

В: У меня есть нагрузка с постоянным напряжением 12В и потребляемой мощностью 20Вт. Какой источник питания необходимо для этого взять?

О: При выборе источника питания, необходимо чтобы выдаваемое напряжение строго соответствовало напряжению, требуемому для работы нагрузки. Превышение выходного напряжения на источнике питания может привести к выходу из строя нагрузки, более низкого напряжение может быть недостаточно для работы нагрузки. Мощность источника питания всегда должна браться более мощности нагрузки. В данном случае подойдет любой источник питания с выходным постоянным напряжением 12В и мощностью не менее 20Вт.

В: Какой ток выдает источник питания с напряжением 12В и мощностью 24Вт?

О: Сила тока I протекающего в цепи прямо пропорционально напряжению U и обратно пропорционально сопротивлению R, I=U/R (закон Ома). Таким образом, сила тока которую будет выдавать источник питания, напрямую зависит от подключенной нагрузки. Максимально допустимый ток Im который может выдать источник питания без вреда для себя определяется мощностью P и выходным напряжением U, Im=P/U.

В: Каких типов бывают сетевые источники питания?

О: Сетевые источники питания по схематике преобразования значения напряжения делятся на две основные группы это:

  • Трансформаторные - основным и можно сказать единственным элементом преобразования в трансформаторных источниках является сетевой трансформатор. Преимуществом данного вида источника питания является простота схемной реализации, надежность.
  • Импульсные - источники питания содержат более сложную схему преобразования напряжения основанную на полупроводниковой схемотехнике. Достоинство таких преобразователей в малых массогабаритных показателей по сравнению с трансформаторными.
    По форме выходного напряжения:
  • Переменного тока,
  • Постоянного тока.
    По виду стабилизации выходного напряжения:
  • Не стабилизированные,
  • С импульсным стабилизатором (ШИМ),
  • С линейным стабилизатором и пр.

В: Какова структура трансформаторного источника питания постоянного напряжения?

О: Схема однотактного однофазный источника с двухполупериодным выпрямителем представлена на рис. 1.

post-143659-0-84755000-1312791404_thumb.gif

Рис 1. Однотактный однофазный источник с двухполупериодным выпрямителем.

Недостатком данной схемы является наличие двух одинаковых встречновключенных обмоток, каждая из которых работает только в один полупериод напряжения. Более чаще используется схема с мостовым включением, представленная на рис. 2.

post-143659-0-79265700-1312791575_thumb.gif

Рис 2. Двухтактный однофазный источник.

Выходное напряжение Ud имеет вид однополярных полуволн напряжения.

В: Какова структура импульсного источника питания постоянного напряжения?

О: Структурная схема импульсного источника электропитания представлена на рис. 3:

post-143659-0-11816800-1312791890_thumb.jpg

Рис. 3 Структурная схема импульсного источника электропитания

Поскольку габариты трансформатора существенно зависят от частоты, осуществляется преобразование эл. энергии на высокой частоте (десятки кГц), таким образом, размеры трансформатора при одинаковых мощностях в импульсных преобразователях получаются существенно меньше.

Сетевое напряжение частотой 50 Гц выпрямляется (В1), фильтруется (Ф1); полученное постоянное напряжение по средствам инвертора преобразуется в импульсное переменное напряжение повышенной частоты; импульсный трансформатор (ТР) преобразует это напряжение по величине и осуществляет гальваническую развязку; далее это напряжение выпрямляется (В2) и фильтруется (Ф2). Пунктиром связи обозначены необходимые для построения стабилизатора элементы.

Импульсные источники питания бывают нескольких видов:

  • Прямоходовой
  • Обратноходовой
  • Двухтактный полумостовой
  • Двухтактный мостовой

В: Зачем нужен стабилизатор напряжения? Почему у меня при подключении усилителя мощности к источнику питания слышен гул в динамиках?

О: Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Стабилизаторы напряжения бывают линейного и импульсного типа.

В: Что такое линейный стабилизатор и какие они бывают?

О: Линейные стабилизаторы бывают на дискретных элементах (транзисторах, тиристорах, гасящих конденсаторах) и интегральные стабилизаторы. Линейные стабилизаторы основаны на ограничении выходного напряжения (тока) на заданном уровне путем изменения своей проводимости. Таким образом, вся энергия отсеиваемая стабилизатором рассеивается на самом стабилизаторе в виде тепловой энергии.

Схема дискретного линейного стабилизатора на транзисторе представлена на рис. 4:

post-143659-0-97278700-1312792032_thumb.jpg

Рис 4. Линейный транзисторный стабилизатор напряжения

Схема интегрального линейного стабилизатора на широко распространенной микросхеме К142ЕН5 (КРЕН5, 7805 и т.п.) показана на рис. 5 и рис. 6:

post-143659-0-16839700-1312792087_thumb.gif

Рис 5. Маркировка выводов интегрального линейного стабилизатора К142ЕН5 (7805) в корпусе ТО-220

post-143659-0-31238600-1312792096_thumb.gif

Рис 6. Типовая схема включения микросхемы К142ЕН5 (7805)

В: Что такое импульсные преобразователи постоянного напряжения и какие они бывают?

О: Импульсные преобразователи постоянного напряжения бывают нескольких видов различающихся способом преобразования напряжения (на переключательных конденсаторах и дроссельный), видом изменения напряжения (понижающий, повышающий и инвертирующий постоянного напряжения в постоянное) и инвертирующие постоянное напряжение в переменное (автономные инверторы напряжения).

  • Преобразователи напряжения на переключательных конденсаторах имеют малую выходную мощность и используются ,как правило, для повышения напряжения для не силовых частей схем. Примером использования таких преобразователей может служить схема преобразователя интерфейсов UART-RS232, в которой из напряжения питания микросхемы (3-5В) получают напряжение необходимое для работы устройства стандарта RS232 (±12В). Пример использования такого преобразователя представлен на рис. 7, Пример данной схемы имеется на нашем сайте.
    sotov87.gif
    Рис 7. Схема кабеля Siemens-C25


  • Наибольшее распространение получили импульсные преобразователи постоянного напряжения главным элементом накопления энергии в которых является дроссель или импульсный трансформатор. Данный вид преобразователей основан на невозможности мгновенного изменения тока в индуктивных элементах (в данном случае дросселе). Пример использования данного вида преобразователя показан на рис. 8.
    5-77.gif
    Рис 8. Схема импульсного стабилизатора напряжения


    Пример включения популярной микросхемы импульсного стабилизатора напряжения MC34063A, расчет параметров внешних элементов можно посмотреть тут.

  • Инверторы напряжения применяют для преобразования постоянного напряжения в переменное. Пример полумостового инвертора напряжения приведен на рис. 9.
    5-11-1.gif
    Рис 9. Схема полумостового инвертора напряжения


В: Что такое драйвер и зачем он нужен?

О: Мощные полевые MOSFET-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) являются базовыми элементами современной силовой электроники и используются в качестве элементов коммутации больших токов и напряжений. Однако для согласования низковольтных логических управляющих сигналов с уровнями управления затвора MOSFET- и IGBT-транзисторов требуются промежуточные устройства согласования - высоковольтные драйверы (в дальнейшем, для краткости, под «высоковольтными драйверами» будем понимать «высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов»).

В большинстве случаев используется следующая классификация высоковольтных драйверов:

  • Независимые драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча полумоста, интегрированные в одной микросхеме (High and Low Side Driver);
  • Драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча, включенные по схеме полумоста (Half-Bridge Driver);
  • Драйверы верхнего плеча (High Side Driver);
  • Драйверы нижнего плеча (Low Side Driver).

На рис. 10 показаны соответствующие этим типам драйверов схемы управления.

post-143659-0-60034500-1312793385_thumb.jpg

Рис 10. Типы включения драйверов

Основные функции драйверов:

  1. Формирование положит. импульса напряжения величиной 15-20 В, на этапе включения и отрицательного 5-6 В на этапе выключения.
  2. С точки зрения входной цепи IGBT и MOSFET в первом приближении – это конденсаторы. В начале интервалов включения и запирания драйвер должен пропускать большие импульсные токи заряда и разряда ёмкости транзистора.
  3. Должны обеспечивать гальваническую развязку контроллера и силовой части. Основой тип – оптронная развязка.
  4. Формирование «мёртвого» времени, для предотвращения сквозных токов в мостовых, полумостовых схемах.
  5. Обеспечение защиты от к. з. токовой перегрузки.

В: Зачем в схемах, особенно там, где применяются цифровые микросхемы, по цепям питания устанавливают параллельно несколько конденсаторов, один из них электролитический на большую емкость, а другой керамический на емкость 0,01-1,0мкФ. Какой смысл от столь малого конденсатора?

О: Электронные схемы, в особенности цифровые, там, где потребляемая мощность изменяется скачками (импульсами), при своей работе создают резкие скачки напряжения, длительностью в единицы нано и микросекунд, а поскольку керамические конденсаторы работают на более высоких частотах, нежели электролиты (из-за подвижности ионов в электролите), то они успевают «поглотить» такие помехи. Поэтому ставят электролит, для подавления НЧ пульсаций и в параллель ему керамику для подавления ВЧ пульсаций. Поскольку на ВЧ проводники обладают собственной индуктивностью, то керамику "размазывают" по плате. Идеально, если между выводами питания каждой микросхемы стоит керамический конденсатор, ёмкостью 0,01...1мк.

В: Я хочу сделать себе сетевой блок питания, какую схему лучше выбрать?

О: Для начинающего радиолюбителя наиболее оптимальным вариантом будет создание трансформаторного линейного источника питания. Данная схема очень проста в сборке и при этом имеет довольно хорошие показатели. Примером такого источника может служить источник питания, схема которого приведена на рис. 11.

post-143659-0-24192300-1312793607_thumb.gif

Рис 11. Схема принципиальная электрическая стабилизированного сетевого источника питания.

Выходное напряжение данной схемы регулируется резистором R1 и изменяется в диапазоне от 1,2 до 30В (мах выходное напряжение зависит от выходного напряжения трансформатора). Сетевой трансформатор может использоваться с выходным напряжением не более 28В. Предохранитель F1 на ток не более 1А. Диодный мост VDS1 можно заменить на четыре диода 1N4004 или им подобным (1N4005-1N4007). Конденсатор С1 электролитический тип SR, емкость конденсатора 1000мкФ или более, напряжение не менее 1,5 выходных напряжений с трансформатора. Для случая если выходное напряжение трансформатора составляет 28В, напряжение на конденсаторе 28•15=42В. Для данного случая необходимо брать конденсатор на напряжение 50В. В качестве помехоподавляющего конденсатора С2 необходимо использовать керамический конденсатор, например К10-17.

Микросхема LM317 должна устанавливаться на теплоотводящий радиатор. Выводы микросхемы считаются слева на право, если расположить микросхему надписью к себе, выводами вниз.

Резистор R1 любой переменный резистор на сопротивление 3,9-10кОм. Резистор R2 типа MF или VKN мощностью 2Вт сопротивлением 200-470Ом. Выходной электролитический конденсатор С3 типа SR емкостью от 1 до 25мкФ на напряжение не ниже 35В.

Максимальный выходной ток данного источника питания составляет 1,5А. Но при работе следует учитывать что любой линейный стабилизатор, к которым относится и эта схема, при своей работе преобразует всю излишнюю энергию в тепловую. В связи с этим выходная мощность данного стабилизатора также ограничивается максимальной мощностью теплоотдачи радиатора, на который необходимо устанавливать микросхему LM317. Мощность, рассеиваемая на стабилизаторе, рассчитывается по формуле (Uвх-Uвых)•Iвых.

  • Одобряю 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Быстрый заказ печатных плат

Полный цикл производства PCB по низким ценам!

  • x
    мм
Заказать Получить купон на $5.00
Дeн    40

Дополню данный FAQ еще тремя пунктами

В: Что такое амплитудное значение переменного тока, и почему оно больше действующего в 1.41 раза?

О: Синусоидальный ток, напряжение, ЭДС представляют собой величины, изменяющиеся во времени по синусоидальному закону. График иллюстрирующий эти изменения показан на рис. 12.

post-143659-0-60920700-1312958613_thumb.jpg

Рис 12. График синусоидального тока и напряжения.

Im амплитудное значение тока;

Um амплитудное значение напряжения.

Под средним значением синусоидально изменяющейся величины понимают ее среднее значение за половину периода. Uср=(2/Пи)*Im , т.е. среднее значение синусоидального тока составляет 0.638 от амплитудного.

Действующее значения синусоидально изменяющейся величины, также называют эффективным или среднеквадратичным:

post-143659-0-21473200-1312958681_thumb.gif

Следовательно, действующее значение синусоидального напряжения равно 0,707 от амплитудного. Путем простого математического расчета получаем, что амплитудное значение больше действующего в корень из 2 раз, или в 1,41. Таким образом, действующее значение синусоидального тока I численно равно значению такого постоянного тока, который за время, равное периоду синусоидального тока, выделяет такое же количество теплоты, что и синусоидальный ток.

В: Что такое частота и период синусоидального напряжения (тока)?

О: Согласно рис. 12:

T=1/f=2Pi/ω – период это время, за которое совершается одно полное колебание.

f=1/T – частота это число колебаний в одну секунду [Гц].

ω=2Pi*f - угловая частота [рад/с]

В: Что такое фаза, сдвиг фаз и напряжение находится в противофазе?

О: Согласно рис. 12:

Фаза ψ характеризует состояние колебания (численное значение) в данный момент времени t.

Начальная фаза ψ характеризует состояние колебания в момент времени t=0.

Разность фаз между напряжением и током называют углом сдвига фаз между напряжением и током: β-α= ψ. Другими словами, это численное значение того, на сколько, по времени синусоидальный сигнал тока отстает от синусоидального сигнала напряжения.

Если ψ=0, то синусоиды совпадают по фазе (будут пересекать ось 0 в одно и тоже время и иметь в любой момент времени один и тот же знак)

Если ψ=±Pi, то синусоиды находятся в противофазе. Такие синусоиды будут пересекать ось 0 в одно и тоже время, но при этом они всегда будут отличаться по знаку.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах
Дeн    40

В: Что такое двухполярный источник питания?

О: Для работы некоторых схем требуется применение двухполярного источника. Отличием двуполярных источников от однополярных заключается в том, что у данного источника имеется три вывода, один из которых является «Общим», а два других, относительно этого вывода, имеют, как правило, одинаковое по значению, но различное по знаку выходное напряжение.

По своей сути такой источник состоит из двух одинаковых источников, соединенных вместе так, что "плюс" одного соединен с "минусом" другого, образуя их общий вывод. В простейшем случае это выглядит так как изображено на рисунке 13.

post-143659-0-93325500-1313048995_thumb.gif

Рис 13. Простейший двухполярный источник питания

В качестве примера реальной схемы двухполярного источника питания, можно привести схему описанную в статье «Двуполярный источник питания с выходным напряжением 12,6 В». Схема данного источника изображена на рис. 14.

5-44.gif

Рис 14. Двуполярный источник питания с выходным напряжением 12,6 В

В: Как работает импульсный стабилизатор (регулятор) напряжения?

О: Принцип работы импульсного стабилизатора напряжения основан на накоплении электрической энергии в дросселе. Принцип работы импульсных понижающих преобразователей постоянного напряжения показан на рис. 16, а графики показывающие процессы, происходящие в схеме, на рис. 17.

post-143659-0-33060300-1313049141_thumb.gif

Рис 16. Принципиальная схема работы импульсного понижающего преобразователя постоянного напряжения.

post-143659-0-91373600-1313049159_thumb.gif

Рис 17. Диаграммы токов и напряжений в импульсном преобразователе постоянного напряжения.

Транзистор VT управляется импульсами длительностью tи и периодом Т. На интервале 0<t<tи VT открыт, диод VD заперт обратным для него напряжение Uвх. Ток замыкается по контуру VT–L–Rн–Uвх, индуктивность накапливает энергию. Напряжение на индуктивности uL=Uвх – Uвых.

На интервале tи<t<Т VT закрыт, но ток, поддерживаемый энергией накопленной в индуктивности, продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру VD–L–Rн. Напряжение на индуктивности uL= -Uвых.

Конденсатор С выполняет роль дополнительного фильтра и при достаточно большой величине индуктивности может отсутствовать. Величина выходного напряжения понижающего Uвых=Uвх*γ преобразователя ,где γ = tи/T – коэффициент регулирования.

В: Какие есть простейшие схемы импульсных понижающих преобразователей напряжения?

О: В качестве импульсного стабилизатора напряжения широко применяется схема построенная на недорогой, широко распространенной микросхеме МС34063. Пример включения данной микросхемы в качестве импульсного преобразователя напряжения показан на рис. 18, рис. 19 и рис. 20.

stepdown.gif

Рис 18. StepDown (понижающая) схема включения МС34063

stepup.gif

Рис 18. StepUp (повышающая) схема включения МС34063

inverter.gif

Рис 18. Инвертирующая схема включения МС34063

Для расчета элементов данной схемы можно воспользоваться онлайн калькулятором.

Для введения возможности регулировки выходного напряжения в данной схеме, необходимо резисторы R1 и R2 заменить на один любой переменный резистор с сопротивлением в диапазоне от 1кОм до 100кОм.

  • Одобряю 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

Войти сейчас