Источники питания в электронных устройствах (лекция 4)

1. Лекция 4 Источники питания в электронных устройствах

1

2. Определение ИП

Источник питания (ИП) – устройство,
обеспечивающее
необходимое
напряжение и ток в заданной нагрузке
(внешнем устройстве)
2

3. Классификация ИП

1. Первичные ИП
Электрическая энергия получается в результате
химической реакции (аккумуляторная батарея),
поглощения световой энергии (солнечные
батареи), преобразования тепловой,
механической энергии (бензогенераторы). Как
правило, это источники переменного и
постоянного напряжения.
2. Вторичные ИП
Это ИП, в которых электрический ток (напряжение)
с одними параметрами (амплитуда с одними
параметрами (амплитуда, постоянное значение,
частота) преобразуется в электрический ток
(напряжение) с другими параметрами.
3

4. Особенности первичных ИП

• Невозможность получения требуемых для
питания микроэлектронных схем значений
напряжения (1,8 – 12 В)
• Для источников сетевого питания на выходе
напряжение и ток переменные по частоте (50
Гц)
• Невысокая стабильность уровней
напряжений (до 10%) и их зависимость от
внешних факторов.
4

5. Основные типы вторичных ИП

Вспомогательные типы вторичных ИП
-Преобразователи постоянного напряжения с
использованием резистивного делителя
напряжения: Uвых=UR2=Uвх(R2/(R1+R2))
Достоинства: Простота реализации
Недостатки: Низкие токи нагрузки (не более
10..100 мкА). Снижение КПД при увеличении тока
нагрузки. Отсутствие стабилизации напряжения.
6

6. Вспомогательные типы вторичных ИП

Схема стабилизации постоянного напряжения
на основе использования стабилитрона
7

7. Вспомогательные типы вторичных ИП

Схема формирования напряжения на
основе стабилитрона
Rб,RD<<Rн
Пример расчета стабилизатора напряжения.
Исходные данные: Uвх=15 В, Icт=5 мА.
Требуемое Uвых=5 В.
1) Принимаем Rн=∞
2)Uвх=Uвых+Iст*Rб
2-й з-н Кирхгофа
3)Rб=(Uвх-Uвых)/Iст=(15-5)/0,005=2 000 Ом
8

8. Схема формирования напряжения на основе стабилитрона

Достоинства:
1. Стабилизация выходного напряжения
2. Простота расчета и реализации
3. Использование в качестве формирователя
стабильного опорного напряжения в цифровых
устройствах и более сложных источниках
вторичного питания (например, LDO)
Недостаток:
1. Низкий ток нагрузки (до 100 мкА) в рабочем
режиме
9

9. Схема формирования напряжения на основе стабилитрона

Структурная схема на основе
выпрямителей переменного тока
N1 и N2 – количество витков первичной и
вторичной обмотки трансформатора
соответственно
10

10. Структурная схема на основе выпрямителей переменного тока

Однополупериодный выпрямитель
Входное напряжение
11

11. Однополупериодный выпрямитель

Диаграммы токов и напряжений, средние
значения в нагрузке (без фильтра)
12

12. Однополупериодный выпрямитель

Разложение в ряд Фурье выходного напряжения
и коэффициент пульсаций
Недостатки:
-высокий уровень пульсаций, необходимость
качественной фильтрации
- присутствие постоянного тока во входной цепи
13

13. Однополупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель
Напряжения на входе выпрямителя
14

14. Двухполупериодный выпрямитель

Среднее напряжение
Коэффициент пульсаций
Коэффициент пульсаций в 2,5 раза меньше, а
уровень постоянной составляющей больше!
15

15. Двухполупериодный выпрямитель

Мостовой выпрямитель
16

16. Мостовой выпрямитель

Фильтр на выходе выпрямителя
Особенности:
- Фильтр нижних частот;
- сглаживание пульсаций переменного
напряжения;
- большие габариты.
17

17. Фильтр на выходе выпрямителя

Разновидности фильтров
18

18. Разновидности фильтров

Модель на основе
однополупериодного выпрямителя
19

19. Модель на основе однополупериодного выпрямителя

Напряжения и токи при отсутствии
фильтра
400
20
300
15
I_Probe1.i, mA
200
vinput, V
100
0
-100
10
5
-200
0
-300
-400
-5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
50
60
70
80
90
100
60
70
80
90
100
time, msec
15
10
10
8
5
6
v2, V
v1, V
time, msec
40
0
4
-5
2
-10
0
-15
-2
0
10
20
30
40
50
time, msec
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
time, msec
20

20. Напряжения и токи при отсутствии фильтра

Напряжения и токи с фильтром
3.5
300
3.0
200
2.5
I_Probe1.i, A
400
vinput, V
100
0
-100
1.5
1.0
m1
-200
0.5
-300
0.0
-400
m1
time= 24.53msec
I_Probe1.i=0.536
2.0
-0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
time, msec
50
60
70
80
90
100
time, msec
15
m2
10
10
m3
8
m2
time= 45.74msec
v 2=9.568 V
5
v2, V
6
v1, V
40
0
m3
time= 64.18msec
v 2=9.226 V
4
-5
2
-10
-15
0
0
10
20
30
40
50
time, msec
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
time, msec
21

21. Напряжения и токи с фильтром

Напряжение на выходе при изменении
емкости С1
С1=1000мкФ
С1=500мкФ
m2
10
m2
10
m3
m3
8
8
v2, V
6
m3
time= 64.13msec
v2=9.223 V
Eqn delta_V=m2-m3
4
6
delta_V
<invalid>s...
time
0.345
delta_V
<invalid>s...
2
0
0.665
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
time, msec
10
m3
time= 63.75msec
v2=8.907 V
Eqn delta_V=m2-m3
4
time
2
m2
time= 45.75msec
v2=9.572
v2, V
m2
time= 45.74msec
v2=9.568 V
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
time, msec
С1=100мкФ
m2
8
m2
time= 45.75msec
v2=9.516
v2, V
6
m3
m3
time= 62.61msec
v2=6.800 V
Eqn delta_V=m2-m3
4
time
delta_V
<invalid>s...
2
2.716
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
time, msec
22

22. Напряжение на выходе при изменении емкости С1

Литература
Мосин С.Г. Электроника //Учебное
пособие. 2006г. С.114 -131.
Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника//
Учебник, изд.7. С.295-313.
23