Электротехника и электроника : проектирование маломощного источника вторичного электропитания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 982 

Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники 

Т.О. Князькова 

Электротехника и электроника 

Проектирование маломощного источника 
вторичного электропитания 

Учебно-методическое пособие 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150100 – Металлургия 

Москва   Издательский Дом МИСиС   2010 

УДК 621.3 
 
К54 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук 

Князькова Т.О. 
К54  
Электротехника и электроника: Проектирование маломощного источника вторичного электропитания: Учеб.-метод. пособие. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 38 с. 
ISBN 978-5-87623-308-0 

Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсовой 
работы или домашнего задания по курсу «Электроника». В пособии предложено теоретическое введение, где изложены принципы работы основных 
элементов и блоков источника вторичного электропитания, показаны методы 
расчета параметров элементов. Приведен пример инженерного проектирования маломощного источника вторичного питания. 
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальностей 140400, 210100, 150601, 210104, 280101, 15005, 150108, 280200, 200503. 

УДК 621.3 

ISBN -978-5-87623-308-0 
© Т.О. Князькова, 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Теоретическое введение.......................................................................4 
1.1. Источник вторичного электропитания........................................4 
1.2. Выпрямители (электрические вентили) ......................................5 
1.3. Сглаживающие фильтры...............................................................9 
1.4. Параметрический стабилизатор напряжения............................15 
2. Проектирование маломощного источника вторичного 
электропитания.......................................................................................21 
2.1. Методика и пример проектирования маломощного 
источника вторичного электропитания.....................................21 
2.2. Графический метод расчета стабилизатора ..............................24 
2.3. Расчет сглаживающего фильтра.................................................27 
2.4. Расчет выпрямителя ....................................................................28 
Библиографический список...................................................................30 
Приложения ............................................................................................31 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 

1.1. Источник вторичного электропитания 

Для получения электрической энергии нужного вида приходится 
преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного 
тока с помощью выпрямителей, энергию постоянного тока – в энергию переменного тока с помощью инверторов. Выпрямители и инверторы являются источниками вторичного электропитания. 
В пособии рассмотрен источник вторичного электропитания, преобразующий энергию переменного тока в энергию постоянного тока. 
Такие источники вторичного электропитания (ИВЭ) необходимы для 
питания различных установок электронной аппаратуры (двигателей 
постоянного тока, различных усилителей, зарядных устройств и т.д.). 
Выпрямлением называют процесс преобразования переменного 
тока в постоянный ток с помощью выпрямительных устройств, обладающих односторонней проводимостью. Выпрямительные устройства состоят из основных блоков: трансформатора, электрического 
вентиля, сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения. 
Современные электронные полупроводниковые устройства в дискретном и, особенно, в микроэлектронном исполнении предъявляют 
очень жесткие требования к качеству потребляемой энергии, которая 
должна быть высокостабильной. 
Выпрямительные ИВЭ классифицируются по ряду признаков: 
1) по способу управления напряжением: неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные); 
2) по числу фаз питающего переменного напряжения: однофазные, трехфазные; 
3) по форме выпрямленного напряжения: однополупериодные, 
двухполупериодные (мостовой, от средней точки трансформатора). 
Однофазные маломощные выпрямительные устройства применяются для питания потребителей постоянного тока мощностью от 1 Вт 
до 1 кВт. Соответственно источник питания называется маломощным источником вторичного электропитания (МИВЭ). 

Основные блоки МИВЭ 

Структурная схема устройства МИВЭ представлена на рис. 1.1. 
На входе трансформатор (Тр) изменяет переменное напряжение 
Uс до требуемого значения U2, т.е. согласует входное напряжение с 

нагрузкой и осуществляет электрическую развязку источника выпрямленного напряжения и нагрузочного устройства. 

 

Рис. 1.1. Структурная схема МИВЭ 

После трансформатора стоит вентильная диодная группа (В), где 
U2 преобразуется в пульсирующее напряжение Uп. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя. 
В выпрямленном напряжении Uп, помимо постоянной составляющей, присутствует переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра (Сф) снижается до требуемого уровня U и имеет очень 
маленькие пульсации. 
Стабилизатор напряжения (Ст) поддерживает неизменным напряжение Uн в нагрузочном устройстве Rн. 
В зависимости от условий работы некоторые блоки могут отсутствовать (трансформатор, стабилизатор). 

1.2. Выпрямители (электрические вентили) 

Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяются два типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный. 

Однополупериодный выпрямитель 

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 1.2. 

 

Рис. 1.2. Схема однополупериодного выпрямителя 

Считается, что трансформатор и выпрямительный диод идеальны, 
т.е. у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, 
у диода Rпр = 0 и Rобр = ∞. 
Рассмотрим временные диаграммы однополупериодного выпрямителя (рис. 1.3). В интервале времени от 0 до T/2 диод VD1 открыт 
(φА > φВ), в нагрузке течет ток Iн. В интервале времени от T/2 до T 
диод закрыт (φА < φВ), к диоду приложено U2max. 

 

Рис. 1.3. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя 

Ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер и как 
следствие значительно отличаются от постоянных составляющих. 

Основные параметры однополупериодного выпрямителя 

Диод в выпрямителях является основным элементом и во многом 
определяет основные параметры выпрямителей: 
1) Uн.ср и Iн.ср – средние значения выпрямленных напряжения и тока в нагрузочном устройстве 
2) мощность нагрузочного устройства Pн.ср = Uн.срIн.ср; 
3) амплитуда основной гармоники Uосн.г; 
4) коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения 

 
осн.г

н.ср
U
p
U
=
; 

5) КПД выпрямителя; 
6) Обратное максимально напряжение на запертом диоде Uобр max. 

Определим среднее значение выпрямленного напряжения и тока в 
нагрузке: 

 
2
н.ср
2
2
π
2
1
2
sinω d
0 45
2π
π
0

U
U
t t
,
U
U
⋅
=
⋅
=
≈
∫
. 

В однополупериодном выпрямителе теряется больше половины 
входного напряжения! 

Входное напряжение (напряжение на вторичной обмотке трансформатора) 

 

н.ср
н.ср
2
π
2 22
2
U
U
,
U
=
≈
. 

Среднее значение выпрямленного тока, средневыпрямленный ток 
равен току через диод: 

 
2
н.ср
пр.д
н

2
π
U
I
I
R
=
=
. 

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сетевого напряжения: 

 
fп = fосн. 

Выпрямленное напряжение имеет несинусоидальную форму сигнала, поэтому может быть разложено в ряд Фурье: 

 
н
н.ср
π
2
2
1
cosω
cos2ω
cos3ω
...
2
3
15
U
U
t
t
t
⎛
⎞
=
+
+
−
+
⎜
⎟
⎝
⎠
. 

Так как частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети, то при расчете коэффициента пульсаций берут напряжение 
основной первой гармоники: 

 

н.ср
осн.г

н.ср
н.ср

π
π
2
1 57
2

U
U
p
,
U
U
=
=
=
=
. 

Так как р = 1,57 – очень большой коэффициент пульсаций, то это 
является недостатком схемы. 
Обратное максимальное напряжение на запертом диоде равно амплитуде входного напряжения: 

 
2
обрmax
2
U
U
=
⋅
. 

При выборе выпрямительных диодов используются максимально 
допустимые параметры: ток прямой максимально допустимый и напряжение обратное максимально допустимое: Iпр max, Uобр max. 

Двухполупериодный мостовой выпрямитель 

Мостовая схема диодов подключена ко вторичной обмотке трансформатора (рис. 1.4), каждая пара диодов работает поочередно: VD1 
VD3 и VD2 VD4. Рассмотрим временные диаграммы (рис. 1.5). 

 

Рис. 1.4. Двухполупериодный мостовой выпрямитель 

 

Рис. 1.5. Временные диаграммы мостового выпрямителя 

В интервале времени от 0 до T/2 открыты VD1 VD3, закрыты VD2 VD4, 
в нагрузке течет ток Iн; в интервале времени от T/2 до T закрыты VD1 
VD3, открыты VD2 VD4, в нагрузке течет ток Iн; частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза больше сетевой частоты: 

 
fп = 2fс = 100 Гц. 

Основные параметры мостового выпрямителя 

1. Средневыпрямленное напряжение 

 
2max
2
н.ср
2
2 2
2
0,9
π
π
U
U
U
U
⋅
=
=
≈
. 

2. Средневыпрямленный ток 

 
2
н.ср
н

2 2 U
I
R

⋅
=
π
. 

3. Прямой ток диода 

 
пр.д
н.ср
1
2
I
I
=
. 

4. Коэффициент пульсаций 

 

н.ср
осн.г

н.ср
н.ср

2
3
0 67
U
U
p
,
U
U
=
=
≈
. 

Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, так как по отношению к входу они включены параллельно: 

 
U2max  = 
2 ⋅U2; 

 
Uобр max = πUн.ср;  Uобр max = 
2 ⋅U2. 

Основной недостаток – большое количество диодов. 
В настоящее время выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки по мостовой схеме КЦ402, КЦ403 и др. 

1.3. Сглаживающие фильтры 

На выходе выпрямителя получается пульсирующее постоянное напряжение. Для многих электронных устройств коэффициент пульсации питающего напряжения р не должен превышать 10–2...10–5. Поэтому для уменьшения пульсации применяются сглаживающие фильтры. 
Фильтры выполняются обычно на реактивных элементах: конденсаторах и дросселях. Здесь используются реактивные свойства этих 
элементов: при последовательном включении – дроссель имеет 

большое сопротивление переменному току;  при параллельном 
включении – конденсатор имеет малое сопротивление переменному 
току. Особенностью фильтров является то, что емкость фильтра 
лучше сглаживает пульсации при малых токах нагрузки, а индуктивный фильтр, наоборот, при больших токах. Емкостной фильтр включается всегда параллельно нагрузке (рис. 1.6). 

 

Рис. 1.6. Схема однополупериодного выпрямителя 
с емкостным фильтром 

Принцип сглаживания сводится к следующему (рис. 1.7): в первый 
полупериод (от 0 до Т/2), когда потенциал точки А выше потенциала точки В, диод VD1 открыт и конденсатор заряжается через низкое внутреннее 
сопротивление диода до U2max. Во второй полупериод (от Т/2 до Т), когда 
потенциал точки А ниже напряжения на конденсаторе, диод закрыт и 
конденсатор разряжается через нагрузочный резистор Rн до тех пор, пока 
потенциал точки А не окажется выше напряжения на конденсаторе. 

 

Рис. 1.7. Временные диаграммы напряжения однополупериодного 
выпрямителя с емкостным фильтром 

Напряжение на запертом диоде будет определяться по второму 
закону Кирхгофа: 

 
Uобр max = Uc + U2max, 

причем конденсатор заряжается до значения U2max. Значит 
для однополупериодного выпрямителя 

 
Uобр max = 2U2max = 2
2 ⋅U2; 

для двухполупериодного выпрямителя 

 
Uобр max = U2max = 
2 ⋅U2. 

Средневыпрямленное напряжение выпрямителей  с фильтром определяется по формуле 

 
2
н.ср
2
1
U
U
p
⋅
=
+
. 

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным 
фильтром представлена на рис. 1.8. 

 

Рис. 1.8. Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром 

Из анализа временных диаграмм (рис. 1.7, 1.9) видно, что с изменением емкости конденсатора С будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше 
разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе Iн.