Вторичные источники питания электронных устройств. Часть вторая

Чтобы умно поступать,
одного ума мало.

Фёдор Достоевский 

Это продолжение экскурса в во вторичные источники питания. В первой части я кратко рассказал о том, что это такое и какие они бывают.

О чем пойдёт речь

В этой части я рассмотрю подробней типовые блоки из которых строится обычный линейный источник питания. Конечно, для профессионалов тут не будет открытий, но будет полезно радиолюбителю.

Я затрону такие штуковины как трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения (а может и тока ^__^)

Как я уже говорил, вторичный источник питания нужен для того, чтобы работал твой компьютер, ноутбук, бритва или любое другое устройство. Для этого он понижает, выпрямляет и стабилизирует напряжение сети (т.е. поддерживает на заданном уровне. И если сказано 12В, то ИП будет стараться выдавать именно 12 В). Да, в сети напряжение не стабильно, там не всегда 220 В _{( А почему там вообще именно 220В? Ответ будет в конце!)}. Может быть больше может быть меньше.

Для работы подавляющего большинства электронных устройств используется постоянный ток, а электросеть поставляет переменный, поэтому типичный источник питания преобразуют такой ток в постоянный, "выпрямляя" его. Признаюсь, что я сам не сразу осознал, что значит выпрямляет. Как это он вообще берет и разгибает синусоиу?!! Поэтому чуть позже специально остановлюсь на этом интересном вопросе. 

Шаг I. Характеристики источников питания 

В обывательском мире источники питания харктеризуются мощностью, допустимым током, который может протекать через источник питания в нагрузку (эл. устройство) и выходным напряжением. А в радиолюбительском есть ещё коэфф. стабилизации и коэфф. пульсаций. 

Коэфф. стабилизации показывает на сколько хорошо выполняется стабилизация напряжения, а коэфф. пульсаций на сколько хорошо выпрямлен ток. К примеру, источник питания может иметь уровень пульсаций в 0.01 мВ или в 0.1 В. Ладно, к этому я ещё вернусь чуть позже.

А в профессиоальном мире и того больше деталей, на которые следует обращаться внимание. Но это уже другая история.

Шаг II. Простейшие источники питания 

Самый простой вторичный источник питания, который приходит мне в голову, -- это обычный делитель напряжения. Берем два неполярный конденсатора, ставим их последовательно, 1 конец на фазу, второй на землю и всё... В зависимости от их ёмкости получим на выходе делителя уменьшенное переменное напряжение. Плох такой источник абсолютно всем: на выходе переменное напряжение, никакой стабилизации, да ещё и убить может, так как он напрямую подключен к сети. 

Шаг III. Трансформатор

Дальше на арену выходит трансформатор. За счет своей конструкции и принципа действия он как бы отделяет вторичный источник питания от сети. Теперь убить может, но шанс выжить стал больше, так как нет прямой связи с электросетью (только через магнитное поле).

А ещё с его помощью можно повысить или понизить напряжение (трансформировать). По-моему это круто. Конечно, есть и минус -- чем мощней трансформатор, тем больше он весит и дороже стоит. 

И все же несмотря на то, что делитель и трансформатор преобразуют напряжение сети, но такие "источники питания" всё еще не могут запитывать, к примеру, ноутбук -- напряжение  у них на выходе переменное, а требуется постоянное. Навести порядок и получить постоянное напряжение помогут выпрямители.

Шаг III. Выпрямители

Я о них уже упоминал выше. Выпрямители очень просто работают -- они берут переменное напряжение и выпрямляют его. Но что это означает? Звучит так, что кажется будто они из синусоиды делают прямую. И правильно кажется, но в реальности не прямая, а половина синусоиды! Выпрямитель просто отсекает, к примеру, отрицательную часть синусоиды. Таким образом остается только ток, который протекает в одном направлении. Выглядит это вот так:

В качестве "отсекающего" элемента обычно служит диод. Основное его свойство в том, что он пропускает ток только  в одну сторону. Со стороны анода он пропускает только положительный ток, а со стороны катода -- только отрицательный. В общем, ничего нового, я надеюсь. 

Шаг IV. Сглаживающий фильтр

Как видно на картинке выше, после выпрямителя у нас не постоянные ток и напряжение, а какие-то горные хребты. Их ещё называют пульсациями. Для того, чтобы от них избавится используются сглаживающие фильтры.

Простейший сглаживающий фильтр -- это конденсатор достаточно большой ёмкости, расположенный параллельно выпрямителю. Вот так: 

Сглаживающие фильтры бывают Г-, Т-, П-образные. Они так названы просто потому, что на принципиальной схеме напоминают соответствующие буквы. Чаще всего они представляют собой LC-фильтры, так как они не нагреваются под действием тока _{(не рассеивают активную мощность)}

Вообще, название "сглаживающий фильтр" не совсем верно, если исходить из принципа его действия, который заключается в простом накоплении заряда в конценсаторе сглаживающего фильтра. Этот конденсатор и обеспечивает ток в перерывах между пульсациями (на картинке обозначены пунктиром)

Шаг V. Стабилизатор

Такие штуковины как стабилизаторы используются повсеместно, где требуется поддерживать что-нибудь на заданном уровне. Например, термостаты применяюся для поддержания определённой температуры. Или, другой пример, круиз-контроль — устройство, поддерживающее постоянную скорость автомобиля. Всё это в некотором смысле стабилизаторы. В источниках питания также есть стабилизаторы. Не во всех, конечно, но чаще есть, чем нет. 

Условно источники питания можно разделить на стабилизированные и нестабилизированные. В стабилизированных источниках питания стабилизатор отвечает за поддержание стабильного выходного напряжения. Сказано 12 воль -- значит 12 вольт, хоть лоб разбей. 

Простейший стабилизатор напряжения можно собрать с использованием стабилитрона. Напряжение стабилизации на выходе стабилизатора будет определятся параметрами стабилитрона. Поэтому такие стабилизаторы называются параметрическими. Т.е. поддержка заданного напряжения основывается на паспортных параметрах стабилитрона. 

Существует и другой вид стабилизаторов, которые называются компенсационными. Они представляют собой уже целую электронную схему, которая поддерживает напряжение на выходе. Основной принцип работы компенсационного стабилизатора заключается в том, что если заданное напряжение стабилизации по какой-то причине изменится вверх/вниз, то схема отреагирует и постарается вернуть его к заданному значению, т.е. схема компенсирует разницу между ожидаемым напряжением и тем, что действительно оказалось на выходе стабилизатора, подгоняя его к твоим ожиданиям.

Компенсационные стабилизаторы более точны и могут использоваться в стабилизаторах, расчитанных на большую мощность и широкий диапазон напряжений. Но если твой источник питания будет запитывать слабую нагрузку, тогда можно смело использовать простенькие параметрические стабилизаторы.

Кстати, раз уж зашла речь о стабилизаторах. Уже лет 40 как в природе существуют интегральные стабилизаторы напряжения. Очень удобная штука. Большинству отечественных радиолюбителей они известны как КРЕН142, а сейчас и как LM317, LM723 и т.д. Представляют они собой небольшую микросхему с тремя (LM317, КРЕН) и более (LM723) выводами. Такие стабилизаторы тоже можно использовать при построении источников питания. 

Конкретные примеры схемотехники источников питания будем рассматривать уже в следующей, заключительной части. Если тебя интересует, что ещё можно почитать по теме источников питания, то загляни в первую часть, там я приводил список хорошей литературы. 

_{Добавляй запись в закладки (Ctrl+D) и подписывайся на рассылку - будешь получать полезные материалы!}