Источники питания

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
C.B. БЫКОВ, М.М. БАБИЧЕВ, А.А. АРАВЕНКОВ 
 
 
 
 
 
 
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.311.6(075.8) 
Б 953 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент Д.В. Лаптев 
инженер АО «Радио и микроэлектроника» П.А. Перязев 
 
 
Работа подготовлена на кафедре «Защита информации»  
для студентов II курса, обучающихся по направлениям  
«Информационная безопасность» и «Приборостроение» 
 
 
Быков С.В. 
Б 953  
Источники питания : учебное пособие / C.B. Быков, М.М. Бабичев, А.А. Аравенков. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. –  
94 с. 

ISBN 978-5-7782-4083-4 

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 
12.03.01 «Приборостроение», 10.03.01 «Информационная безопасность», 10.05.03 «Информационная безопасность автоматизированных 
систем», а также для студентов, изучающих схемотехнику источников 
питания. 
Рассматриваются линейные и импульсные сетевые источники питания, а также линейные и импульсные стабилизаторы и преобразователи напряжения, в том числе твердотельные микросборки. Предлагаются методики расчета источников и стабилизаторов. Практическая 
часть пособия позволяет исследовать параметры источников питания 
экспериментальным способом. 
 
 
 
 
 
УДК 621.311.6(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4083-4 
© Быков С.В., Бабичев М.М., 
 
Аравенков А.А., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
1. Краткие теоретические сведения ....................................................................... 5 
1.1. Сетевые линейные источники питания ..................................................... 5 
1.2. Линейные стабилизаторы напряжения .................................................... 11 
1.2.1. Стабилитрон ..................................................................................... 12 
1.2.2. Простейший параметрический стабилизатор напряжения .......... 15 
1.2.3. Стабилизатор напряжения с транзисторным усилителем 
постоянного тока ............................................................................ 17 
1.2.4. Стабилизатор напряжения с операционным усилителем ............ 18 
1.2.5. Образцовые стабилизаторы ............................................................ 20 
1.2.6. Интегральные стабилизаторы ......................................................... 22 
1.2.7. Увеличение тока нагрузки интегрального стабилизатора ........... 27 
1.3. Импульсные стабилизаторы напряжения ................................................ 30 
1.3.1. Импульсные стабилизаторы напряжения на основе индуктивностей ........................................................................................ 30 
1.3.2. Импульсные стабилизаторы напряжения на основе конденсаторов ............................................................................................. 33 
1.3.3. ЧИМ и ШИМ в импульсных стабилизаторах ............................... 34 
1.3.4. Основные положения методики расчета импульсных стабилизаторов напряжения ............................................................... 39 
1.3.5. Расчет необходимого значения индуктивности катушки 
индуктивности ................................................................................ 41 
1.3.6. Расчет емкости и выбор типа выходного конденсатора .............. 43 
1.3.7. Выбор модели коммутирующего транзистора .............................. 46 
1.3.8. Выбор модели диода ....................................................................... 46 
1.4. Источники питания на основе импульсных стабилизаторов, 
предназначенные для работы от силовой сети ...................................... 47 
1.4.1. Особенности обеспечения стабильности выходного напряжения в импульсных стабилизаторах, предназначенных 
для работы от силовой сети ........................................................... 53 

1.4.2. Обеспечение электромагнитной совместимости .......................... 56 
1.4.3. Особенности выбора материала сердечника катушек индуктивности и трансформаторов .................................................. 57 
1.4.4. Создание источников питания с высоким значением выходного напряжения ....................................................................... 64 
1.5. Обеспечение теплоотвода для стабилизаторов и источников  
питания ...................................................................................................... 68 
1.6. Монолитные DC/DC-преобразователи .................................................... 70 
2. Практическая экспериментальная часть ......................................................... 73 
2.1. Состав учебного экспериментального стенда ......................................... 73 
2.2. Содержание и порядок выполнения экспериментальных заданий ....... 73 
2.2.1. Изучение источников питания на основе линейных стабилизаторов напряжения ................................................................... 73 
2.2.2. Изучение источников питания на основе импульсных стабилизаторов напряжения ............................................................... 75 
Контрольные вопросы .......................................................................................... 80 
Библиографический список ................................................................................. 82 
Приложение 1. Основные характеристики микросхем линейных стабилизаторов напряжения .......................................................................................... 83 
Приложение 2. Основные характеристики биполярных транзисторов ............ 86 
 

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Сетевые линейные источники питания 

Под источниками питания в рамках настоящего учебного пособия подразумеваются устройства, служащие для обеспечения электропитанием приборов, состоящих из пассивных и активных электронных 
элементов. Питание устройств может осуществляться от сети переменного тока 220 В или от автономных источников питания (батарей). 
При использовании в качестве первичного источника электрической 
энергии сети переменного тока 220 В источник питания (который также называют вторичным источником питания) должен выполнить 
следующие функции: 
– преобразование сетевого напряжения к уровню, необходимому 
для работы устройства; 
– преобразование переменного напряжения в постоянное (если это 
требуется); 
– обеспечение стабильного выходного напряжения независимо от 
колебаний напряжения сети и от величины потребляемого тока; 
– фильтрация высокочастотных помех, присутствующих в электросети (в некоторых случаях требуется фильтрация для защиты электросети от помех, создаваемых источником питания). 
Для преобразования сетевого напряжения к уровню, необходимому для работы устройства, используются  линейные трансформаторы (не требуют для своей работы дополнительных элементов) либо 
импульсные трансформаторы (работают в составе импульсных источников питания). 
Трансформаторы в целом описаны в учебном пособии «Пассивные 
элементы схемотехники». В настоящей работе рассматриваются особенности силовых линейных трансформаторов, применяемых в источниках питания. Во-первых, в них в подавляющем большинстве случаев 

используются понижающие трансформаторы. Во-вторых, очень часто 
при помощи одного трансформатора можно организовать несколько 
отдельных источников питания. Для этого используются трансформаторы с несколькими вторичными 
обмотками. Необходимо отметить, 
что напряжение на выходе вторичных обмоток зависит от числа витков и может различаться. Обмотки 
могут быть рассчитаны на разный 
выходной ток (зависит от толщины 
провода, которым выполнена обмотка). Пример условного графического обозначения трансформатора 
с несколькими вторичными обмотками показан на рис. 1.1. 
На условных графических обозначениях трансформаторов может 
использоваться элемент – точка, служащая для обозначения начала 
обмотки. Эта информация необходима при соединении обмоток между 
собой. Обмотки можно соединять последовательно и параллельно. 
Параллельное соединение обмоток допустимо только в том случае, 
если их выходные напряжения одинаковы (обмотки имеют одинаковое 
число витков), а обмотки включаются синфазно (начала обмоток соединяются вместе). Последовательное соединение обмоток можно 
производить как для обмоток с одинаковым выходным напряжением, 
так и с разным. В случае последовательного соединения обмотки 
включают синфазно (начало одной обмотки надо соединять с концом 
другой). На рис. 1.2 показан пример правильного соединения обмоток 
с учетом информации о начале обмотки. 
 

 
Рис. 1.2. Примеры последовательного и параллельного соединения  
вторичных обмоток трансформатора 

~ 220В
Uвых
~ 220В
Uвых

Рис. 1.1. Условное графическое 
обозначение 
трансформатора 
 с тремя вторичными обмотками 

В случае последовательного соединения обмоток выходное напряжение будет равно сумме напряжений на первой и второй обмотке. 
Максимальный допустимый ток, который можно взять с трансформатора, в этом случае будет равен максимальному току той обмотки, у 
которой он меньше. При параллельном соединении обмоток напряжение на выходе равно напряжению одной из обмоток (любой). Максимальный выходной ток будет равен сумме максимальных допустимых 
токов обоих вторичных обмоток.  
В настоящее время можно встретить трансформаторы с несколькими первичными обмотками. Это связано с тем, что в разных странах 
мира номинальное напряжение и частота в сети электропитания могут 
различаться. Например: 
– Россия, республики СНГ, страны Европы, Индия, Ирак, Монголия – 220 (230) В, 50 Гц; 
– США – 120 В или 240 В, 60 Гц; 
– Бразилия, Мексика – 127 В или 220 В, 60 Гц; 
– Венесуэла, Гватемала, Колумбия, Канада – 120 В, 60 Гц; 
– Китай, Северная Корея, Португалия, Реюньон – 220 В, 50 Гц  
(в Южной Корее 220 В, 60 Гц); 
– Белиз, Виргинские острова, Гаити, Гондурас, Куба, Тайвань, Панама – 110 В, 50 или 60 Гц; 
– Кипр, Кения, Нигерия, Оман, Тонга, Уганда, Фиджи – 240 В, 
50 Гц; 
– Япония, Окинава – 100 В, 50 Гц или 60 Гц. 
Наличие нескольких (как правило, двух) первичных обмоток позволяет использовать одну и ту же модель трансформатора в разных 
странах. При этом порядок соединения обмоток следующий: 
– в странах, где напряжение в сети составляет 220…240 В, первичные обмотки соединяются последовательно с учетом начала обмотки 
аналогично рис. 1.2; 
– в странах, где напряжение в сети находится в диапазоне 100…127 В, 
первичные обмотки (если они одинаковы) соединяются параллельно с 
учетом начала обмотки аналогично рис. 1.2. Если первичные обмотки 
рассчитаны на разные напряжения (например 100 В и 127 В, а в сумме 
будет около 230 В), приходится использовать только одну первичную 
обмотку, при этом максимальная выходная мощность трансформатора 
может снизиться. 
Для преобразования переменного напряжения в постоянное используются полупроводниковые диоды. Для упрощения монтажа вме

сто комплекта из четырех отдельных диодов применяют готовые диодные сборки – диодные мосты. При выборе выпрямительных диодов 
или диодных мостов необходимо ориентироваться на следующие параметры: 
– максимальный прямой (выпрямленный) ток; 
– максимальное допустимое обратное пиковое напряжение. 
Максимальный прямой средний ток выбранного диода должен 
быть на 25…30 % больше, чем максимальный ток, потребляемый схемой. Аналогично максимально допустимое обратное напряжение 
должно быть на 25…30 % больше, чем амплитуда напряжения на выходной обмотке 
СКЗ
(1,414
),
U

 где 
СКЗ
U
 – среднеквадратическое значение напряжения. 
Если не принимать специальных мер, постоянное напряжение на 
выходе диодного моста будут иметь пульсации. Для снижения уровня 
пульсаций применяют электролитические конденсаторы. На рис. 1.3 
показан пример получения двух разных постоянных напряжений питания. Следует заметить, что параллельно электролитическому конденсатору с емкостью 470 мкФ включен неполярный конденсатор емкостью 1 мкФ. Несмотря на то что увеличение суммарной емкости при 
этом ничтожно, использование дополнительного конденсатора оправдано: он предназначен для более эффективного подавления высокочастотных пульсаций в цепи питания. Дело в том, что конструктивно 
электролитический конденсатор представляет собой многовитковый 
«рулет» из обкладок, выполненных из полос алюминиевой фольги и 
пористого диэлектрического материала между обкладками. Такая конструкция имеет большое значение собственной паразитной индуктивности. Сопротивление индуктивности с повышением частоты возрастает. Таким образом, если не использовать неполярный конденсатор, в цепи питания будут присутствовать высокочастотные помехи. 
Один из выходов источников питания выбирают общей точкой или 
схемной землей. Выбирая, какой из выводов выпрямительного модуля 
подключить к общей точке, можно организовать напряжения питания с 
одинаковой или разной полярностью. 
Измеряя напряжение в источнике питания, можно обнаружить интересный факт: значение постоянного напряжения на конденсаторе 
будет больше, чем значение переменного напряжения на выходе обмотки. Эта разница связана с тем, что при измерении переменного 
напряжения мультиметром отображается эффективное (действующее, 

СКЗ) значение синусоидального напряжения, которое составляет 1
2  
его амплитудного значения. Напряжение же на конденсаторе близко к 
амплитудному значению напряжения на выводах обмотки. 
 

~ 220В

+Е1

-Е2

470 мкФ

470 мкФ

1 мкФ

1 мкФ  
Рис. 1.3. Схема источника питания с двумя выходными  
напряжениями с разной полярностью 

Следующей задачей является стабилизация значения выходного 
напряжения и дополнительное подавление его пульсаций. Если 
наблюдать за характером напряжения на выходе выпрямителя 
(рис. 1.3) при помощи осциллографа и без подключенной нагрузки, то 
мы увидим на экране чистую прямую линию. Но при подключении 
нагрузки станут заметны пульсации (чтобы их разглядеть, надо «закрыть» вход осциллографа по постоянному току и уменьшить коэффициент вертикального отклонения [В/дел] в осциллографе). По мере 
увеличения тока, потребляемого нагрузкой, амплитуда пульсаций будет возрастать, а средний уровень постоянного напряжения – уменьшаться. Как было показано выше, применение конденсаторов на выходе выпрямителя снижает уровень пульсаций. При этом значение емкости конденсатора зависит от схемы выпрямителя и от тока потребления схемы. На рис. 1.4 показаны варианты сигнала на выходе одно- и 
двухполупериодного выпрямителя соответственно.  
 

а 
 б 

Рис. 1.4. Форма напряжения на выходе одно- (а) и двухполуперидного (б)  
выпрямителя 

Напряжение 
max
U
 равно амплитуде синусоидального сигнала на 
выходе выпрямителя. Напряжение 
min
U
 определяется по тому, с каким минимальным напряжением может работать схема прибора. Период T  имеет значение 0,02 с для однополуперидного выпрямителя и 
0,01 с – для двухполуперидного выпрямителя (при частоте сети 50 Гц). 

Значение конденсатора вычисляется по формуле 

max
min

TI
C
U
U


,  

где I  – максимальное значение потребляемого тока. Необходимо помнить, что рассчитанная по данной формуле емкость конденсатора является заниженной. В реальных схемах источников питания рекомендуется выбирать величину емкости конденсатора примерно в 10 раз 
больше. 
Из приведенной выше формулы виден основной недостаток данной схемы стабилизации постоянного напряжения – величина пульсаций и средняя величина напряжения зависят от тока потребления. 
Для хорошего подавления пульсаций нужен громоздкий конденсатор 
большой емкости. Кроме того, может существенно меняться среднее 
значение выходного напряжения (например, из-за просадки напряжения в сети). В ряде случаев такая ситуация неприемлема. Для повышения качества выходного напряжения источника питания необходимо применять дополнительные схемы, называемые стабилизаторами напряжения. 
По способу обеспечения стабильного выходного напряжения независимо от величины тока потребления все схемы стабилизаторов 
напряжения подразделяются на линейные и импульсные. С точки 
зрения выполнения основной функции все стабилизаторы напряжения 
характеризуются коэффициентом стабилизации. 
Коэффициент стабилизации – основной параметр стабилизатора. Определяется, как отношение относительного изменения вход
U

t

U

t
T
T

Umax

Umin

Umax
Umin

ного напряжения к относительному изменению выходного напряжения: 

вх
вх
ст
вых
вых

U
U
K
U
U


 
. 

Например, если при изменении входного напряжения с 13 до 10 В 
выходное напряжение изменилось с 5,6 до 5,5 В, получим 

ст
3 /13
0,23
12,9,
0,1/ 5,6
0,018
K



 т.е. данный стабилизатор ослабляет ко
лебания величины входного напряжения почти в 13 раз. 
Помимо всего прочего стабилизаторы выступают в роли фильтров, сглаживающих пульсации напряжения на выходе сетевых источников питания и подавляющих помехи, идущие по цепям питания. 
Если общая точка стабилизатора соединена с отрицательным полюсом источника входного напряжения, имеем стабилизатор положительной полярности; с положительным полюсом – стабилизатор отрицательной полярности. Коэффициент полезного действия (КПД) 
стабилизатора: 

вых н

вх вх
100 % U
I
U
I
 
. 

1.2. Линейные стабилизаторы напряжения 

Линейные стабилизаторы содержат включенный последовательно с 
нагрузкой регулирующий элемент, на котором падает («гасится») «излишек» входного напряжения 
пад
вх
вых
U
U
U


. Схема стабилизатора постоянно поддерживает такую величину 
пад
U
, чтобы величина 
выходного напряжения была постоянной. Для линейных стабилизаторов верно условие: 
вых
вх
U
U

, т.е. 
пад
0.
U

 Это значит, что они не 
могут повышать выходное напряжение относительно входного. 
Минимальное значение 
пад min
U
, которое способен обеспечивать 
стабилизатор, определяет максимальный КПД стабилизатора и нижнюю границу 
вх min
вых
пад min
U
U
U


. Стабилизаторы, у которых 

пад min
U
 измеряется десятыми долями вольта, называются стабилиза

торами с малым падением напряжения (Low Dropout, или LDO,  
в англоязычной литературе). 
Для линейных стабилизаторов справедливо условие: 
вх
н
I
I

, поскольку сам стабилизатор потребляет некоторый ток пот
вх
н
I
I
I


 на 
собственные нужды. Если отключить от стабилизатора нагрузку 
н
R , 
то стабилизатор будет работать в режиме холостого хода, когда н
0
I

 
и вх
пот
ХХ
I
I
I


. 
Следует учитывать, что «излишек» входного напряжения 
пад
U
 падает на регулирующем элементе стабилизатора, через который протекает ток нагрузки 
н
I , что приводит к рассеиванию на стабилизаторе 
мощности 
рас
вх вх
вых н
P
U
I
U
I


. Если собственный потребляемый 

ток стабилизатора относительно мал 
пот
вх
(
),
I
I

 можно считать, что 

рас
вх
вых
вх
(
)
P
U
U
I


. 
рас
P
 превращается в тепло, поэтому нужно 
обеспечивать охлаждение стабилизатора с помощью принудительной 
вентиляции и/или теплоотводов (радиаторов). Кроме того, уменьшить 

рас
P
 можно, если уменьшать разность 
вх
вых
(
),
U
U

 например, понижать число витков во вторичной обмотке трансформатора напряжения 
(сетевого источника питания). Ниже приводится описание электронных компонентов и схем, выполняющих функции линейных стабилизаторов напряжения. 

1.2.1. Стабилитрон 

Основой линейного стабилизатора является разновидность полупроводникового диода – стабилитрон (рис. 1.5). Стабилизация достигается за счет параметров вольт-амперной характеристики (ВАХ) 
стабилитрона. Когда обратное напряжение U  на стабилитроне (плюс 
– напряжение на катоде К, минус – на аноде А) приближается к изгибу обратной ветви ВАХ, начинается обратимый «пробой» стабилитрона за счет того, что этот участок ВАХ имеет угол наклона, близкий 
к 90 ,  ток I  через стабилитрон может изменяться в широких пределах, в то время как падение напряжения U  на нем меняется незначительно. Чем ниже динамическое (дифференциальное) сопротивление 
д
/
,
R
dU
dI

 тем меньше напряжение стабилизации зависит от 
тока, протекающего через стабилитрон. 
д
R  определяют на изгибе