Практикум по радиоэлектронике. Источники питания: Методические указания к лабораторной работе № 6

Практикум по радиоэлектронике предназначен для студентов 2 курса физического факультета НГУ. Данная лабораторная работа посвящена изучению линейных источников питания радиоэлектронной аппаратуры. В методическом пособии разъясняется принцип работы выпрямителя, фильтра, параметрического и компен­са­ционного стабилизатора, приводятся оценки влияния разных факторов на качество источника питания.

В задачу студента входит изучение работы электронных схем, макетиро­вание и наладка выпрямителя, параметрических и компенсацион-ных стабилизаторов, измерение параметров получившихся источников
питания.

Составитель Г. И. Кузин

Рецензент И. А. Запрягаев

Ответственная за выпуск О. А. Тенекеджи

Издание подготовлено в рамках выполнения инновационно-образовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».

Ó Новосибирский государственный
университет, 2009

1. Введение

Источник питания (ИП) – необходимая и ответственная часть любого электронного прибора. От параметров источника питания зависят характе­ристики всего устройства. Надежность работы и долговечность электронных схем в большой степени определяется качеством ИП. Например, допуск на питающее напряжение для микросхем ТТЛ обычно составляет ±5 %. Вы можете исследовать статические характеристики ИП и убедиться, что он вполне удовлетворяет этим требованиям, но его динамические параметры, например, выброс в момент включения или слишком медленное выключение могут приводить к частому выходу из строя микросхем. Непродуманная схема ИП, неудачная конструкция делают его опасным не только для электронной схемы, для питания которой он предназначен, но и для человека. Если не принять специальных мер, то источник питания (импульсный) излучает в окружающее пространство помехи, мешающие приему радио и телепередач.

По принципу работы источники питания делятся на линейные и импульсные. Линейные ИП обладают малым к.п.д. (30¸50 %), за счет силового трансформатора и радиаторов регулирующих транзисторов имеют большие габариты и вес, но проще в реализации и наладке, не дают высокочастотных наводок и пульсаций. Импульсные ИП имеют к.п.д. 70¸95 %, малые габариты и вес. Несмотря на то, что импульсные ИП устроены сложнее линейных, благодаря своей экономичности и компактности они все больше вытесняют последние.

Линейные источники питания обычно состоят из трансформатора, который понижает переменное напряжение до необходи­мой величины, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема линейного источника питания

2. Трансформатор

Трансформатор применяется для преобразования одного напряжения в другое, одновременно обеспечивая гальваническую развязку между сетью и прибором. Трансформатор состоит из двух или нескольких индуктивно связанных обмоток, надетых на общий сердечник (рис. 2).

Сердечник является магнитопроводом, по которому магнитный поток Ф, возбуждаемый током одной обмотки, пронизывает витки второй обмотки, на концах которой возбуждается э.д.с. U₂. Напряжения и токи в обмотках связаны соотношениями

                                         U₂ = U₁×W₂/W₁, I₂=I₁×W₁/W₂ ,                                    (1)

где W₁ – число витков в первичной обмотке, W₂ – во вторичной.

Величина К_U=W₂/W₁ называется коэффициентом трансформации по напряжению, а K_I=W₁/W₂ – коэффициентом трансформации по току.

В общем случае расчет сило­вого трансформатора довольно сложен и зависит от многих параметров. На практике для выбора габаритов тран­сфор­ма­тора мощностью (20¸200 Вт) с сердечником из транс­фор­ма­тор­ной стали и обмотка­ми из мед­ного про­вода можно пользо­вать­ся полу­эм­пи­риче­с­кой формулой P = k×S_ок×S_ст , где P – мощ­ность трансформа­тора [Вт], S_ок – площадь окна для обмоток в см², S_ст – поперечная площадь магнитопровода в см², k » 1,2 Вт/см⁴.

3. Выпрямители

Для преобразования переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора в постоянное служит выпрямитель. В простейшем случае выпрямителем является диод, к которому подключается нагрузка (рис. 3).

а)                                                            б)

Рис. 3. Однополупериодный выпрямитель

Для того чтобы сгладить пульсации напряжения на нагрузке, парал­лельно ей подключают конденсатор, служащий фильтром пульсаций (рис. 4).