Источники питания постоянного тока, схема которых включает выпрямитель (AC/DC преобразователь), представляют собой востребованные устройства, широко применяемые в автоматизированных испытательных системах, предназначенных для проверки электрооборудования, модулей, монтажных схем. Также их используют для электропитания различной радиоэлектронной аппаратуры, электродвигателей, заряда аккумуляторных батарей, протекания электрохимических процессов. Они преобразуют переменное напряжение электросети в стабилизированное постоянное напряжение. Многие модели предоставляют возможность регулировки выходных параметров.
Отдельный вид источников питания (ИП) составляют конверторы (DC/DC преобразователи). Они работают от сети постоянного тока. Их сфера применения включает автоматизированные системы управления техпроцессами, энергетику, транспорт, телекоммуникационные и информационные технологии, охранно-пожарные системы.
Основными техническими характеристиками источников питания постоянного тока являются:
- Номинальное входное напряжение.
- Номинальное выходное напряжение и диапазон его регулировки.
- Максимальный ток нагрузки.
- Точность стабилизации выходного напряжения.
- КПД.
Помимо базовых характеристик, большое значение имеют и другие рабочие параметры, которые мы рассмотрим более подробно.
Шумы и пульсации
Эта характеристика источников питания постоянного тока определяет качество выходного сигнала, а также выбор между импульсным и линейным источником электропитания. Импульсные преобразователи являются по сути генераторами шумов. Устройства, использующие для управления переключением силовых ключей широтно-импульсную модуляцию, создают шумы в определенной полосе частот. Частота повторения шума зависит от частоты переключения импульсного источника питания, а амплитуда сильно зависит от топологии оборудования. Пульсации представляют собой флуктуацию выходного напряжения, которая связана с зарядом и разрядом устройства. Она может быть уменьшена с помощью увеличения входной или выходной емкости.
Для многих задач, связанных с тестированием электроаппаратуры, целесообразно использовать не импульсные, а линейные ИП. Несмотря на то, что они отличаются низкой эффективностью, габаритами и весом, выделением значительного количества тепла, их можно применять в приложениях, где не требуется высокая мощность (до 200 Вт на один канал). Линейные устройства генерируют высокочастотный шум, который можно легко отфильтровать. Также они обладают высокой скоростью реагирования на изменение нагрузки. Если же поставленная задача не выдвигает повышенных требований к уровню шума и пульсаций, лучше выбрать импульсный преобразователь. Он характеризуется высокой мощностью, компактностью, широкими диапазонами регулировки, гибкостью настроек.
Условные графические обозначения ЭРЭ в схемах электрических, радиотехнических и автоматизации
1— транзистор структуры р- n-р в корпусе, общее обозначение;
2— транзистор структуры п-р-п в корпусе, общее обозначение,
3 — транзистор полевой с p-n-переходом и п каналом,
4 — транзистор полевой с p-n-переходом и р каналом,
5 — транзистор однопереходный с базой п типа, б1, б2 — выводы базы, э — вывод эмиттера,
7 — диод выпрямительный,
8 — стабилитрон (диод лавинный выпрямительный) односторонний,
9 — диод тепло-электрический,
10 — тиристор диодный, стираемый в обратном направлении;
11 — стабилитрон (диодолавинный выпрямительный) с двусторонней проводимостью,
12 — тиристор триодный.
14 — переменный резистор, реостат, общее обозначение,
Читать также: Как увеличить огонь в зажигалке
15 — переменный резистор,
16 — переменный резистор с отводами,
17 — построечный резистор-потенциометр;
18 — терморезистор с положительным температурным коэффициентом прямого нагрева (подогрева),
20 — конденсатор постоянной емкости, общее обозначение,
21 — конденсатор постоянной емкости поляризованный;
22 — конденсатор оксидный поляризованный электролитический, общее обозначение;
23 — резистор постоянный, общее обозначение;
24 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 05 Вт;
25 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 125 Вт,
26 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 25 Вт,
27 — резистор постоянный с номинальной мощностью 0, 5 Вт,
28 — резистор постоянный с номинальной мощностью 1 Вт,
29 — резистор постоянный с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт,
30 — резистор постоянный с номинальной мощностью рассеяния 5 Вт;
31 — резистор постоянный с одним симметричным дополнительным отводом;
32 — резистор постоянный с одним несимметричным дополнительным отводом;
Скорость изменения выходного напряжения
Это важный параметр, который имеет большое значение в сфере тестирования электроприборов. При испытаниях на аппаратуру подаются различные напряжения для проверки ее правильного функционирования в пределах рабочего диапазона. Чем быстрее источник питания реагирует на изменение настроек, тем выше производительность тестирования. В стандартных устройствах время установки выходного напряжения с точностью до 1% составляет в среднем 50-500 мс. Существуют специальные схемы регулируемых источников питания постоянного тока, которые позволяют уменьшить данный показатель до 1-4 мс.
Условные графические обозначения ЭРЭ в схемах электрических, радиотехнических и автоматизации
65 — гнездо разъемною контактного соединения,
66 — контакт разборного соединения например с помощью зажима
67 — контакт неразборного соединения, например осуществленного пайкой
68 — выключатель кнопочный однополюсный нажимной с Замыкающим контактом самовозвратом
69 — контакт коммутационного устройства размыкающий, общее обозначение
70 — контакт коммутационного устройства (выключателя, реле) замыкающий, общее обозначение. Выключатель однополюсный.
71 — контакт коммутационного устройства переключающий, общее обозначение. Однополюсный переключатель на два направления.
72— контакт переключающий трехпозиционный с нейтральным положением
73 — контакт замыкающий без самовозврата
74 — выключатель кнопочный нажимной с размыкающим контактом
75 — выключатель кнопочный вытяжной с замыкающим контактом
76 — выключатель кнопочный нажимной с возвратом кнопки,
77 — выключатель кноночный вытяжной с размыкающим контактом
78 — выключатель кнопочный нажимной с возвратом посредством вторичного нажатия кнопки,
79 — реле электрическое с замыкающим размыкающим и переключающим контактами,
80 — реле поляризованное на одно направление тока в обмотке с нейтральным положением
81 — реле поляризованное на оба направления тока в обмотке с нейтральным положением
82 — реле электротепловое без самовозврата, с возвратом посредством вторичного нажатия кнопки,
83- разъемное однополюсное соединение
84 — гнездо пятипроводного контактного разъемного соединения,
85 штырь контактного разъемного коаксиального соединения
86 — гнездо контактною соединения
87 — штырь четырехпроводного соединения,
88 гнездо четырехпроводного соединения
89 — перемычка коммутационная размыкающая цепь
Любые электрические цепи могут быть представлены в виде чертежей (принципиальных и монтажных схем), оформление которых должно соответствовать стандартам ЕСКД. Эти нормы распространяются как на схемы электропроводки или силовых цепей, так и электронные приборы. Соответственно, чтобы «читать» такие документы, необходимо понимать условные обозначения в электрических схемах.
Время реакции на изменение нагрузки
Этот параметр определяет, насколько быстро ИП реагирует на изменение нагрузки или скачки электротока. Если выходной ток быстро изменяется в широком диапазоне значений, выходное напряжение также начинает с высокой скоростью уменьшаться или увеличиваться. Время, которое необходимо устройству для стабилизации характеристик, называется временем реакции (или отклика) на изменение нагрузки. Из-за использования обратной связи в топологии для контроля выходного напряжения, импульсные ИП отличаются сравнительно медленной реакцией.
Чтобы обезопасить тестируемые устройства от сильных перегрузок, рекомендуется применять предварительную нагрузку. Она подключается параллельно с испытываемым прибором и ограничивает скачки напряжения. У современных импульсных источников питания время отклика составляет 40-80 мкс, а у линейных — до 1 мкс.
Источники тока на полевых и биполярных транзисторах.
На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока. - Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! — начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин. - Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц — как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков. «Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» — станет темой нашего научного коллоквиума.
Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:
«Источник тока — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока…» — учит нас Википедия.
Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.
Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока. Первой и основной из них является величина выходного тока. Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки. Третья спецификация — это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме. В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.
Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.
Рис.1
Схема источника тока на биполярном транзисторе — самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков — и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.
Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников. Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.
Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам. Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле. Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой Iн= Uвх/R1.
Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.
Рис.2
Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока. За примерами далеко ходить не надо — источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока. Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку. Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать — максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы. Выходной ток рассчитывается по простой формуле Iн≈0,6/ R1. В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.
| Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока. Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние. Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1), Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2). | |
| Рис.5 | Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток. Все формулы аналогичны предыдущему описанию: Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1), Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2). |
| Рис.6 | Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм. И опять — всё то же самое: Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1), Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2). Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока — одна и та же. Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов. |
При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на полупроводники обратной проводимости.
И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.
РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.
Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.
Рис.6
Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах — занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное. Другое дело — специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа. Рис.7
Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент. Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.
А на следующей странице продолжим тему — посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.
Возможность параллельного и последовательного подключения ИП
Параллельное подключение источников электропитания обеспечивает увеличение выходного электротока. Многие ИП оснащены специализированной параллельной шиной управления. Она позволяет создавать единую конфигурацию из нескольких источников. Система автоматически определяет, какие устройства являются ведущими, а какие ведомыми.
Последовательное подключение источников питания используется, если необходимо увеличение напряжения. При этом оно не должно превышать электрическую прочность изоляции выходных клемм.
Виды электрических схем
В соответствии с нормами ЕСКД под схемами подразумеваются графические документы, на которых при помощи принятых обозначений отображаются основные элементы или узлы конструкции, а также объединяющие их связи. Согласно принятой классификации различают десять видов схем, из которых в электротехнике, чаще всего, используется три:
- Функциональная, на ней представлены узловые элементы (изображаются как прямоугольники), а также соединяющие их линии связи. Характерная особенность такой схемы – минимальная детализация. Для описания основных функций узлов, отображающие их прямоугольники, подписываются стандартными буквенными обозначениями. Это могут быть различные части изделия, отличающиеся функциональным назначением, например, автоматический диммер с фотореле в качестве датчика или обычный телевизор. Пример такой схемы представлен ниже.
Пример функциональной схемы телевизионного приемника - Принципиальная. Данный вид графического документа подробно отображает как используемые в конструкции элементы, так и их связи и контакты. Электрические параметры некоторых элементов могут быть отображены, непосредственно в документе, или представлены отдельно в виде таблицы.
Пример принципиальной схемы фрезерного станка
Если на схеме отображается только силовая часть установки, то она называется однолинейной, если приведены все элементы, то – полной.
Пример однолинейной схемы
- Монтажные электрические схемы. В данных документах применяются позиционные обозначения элементов, то есть указывается их место расположения на плате, способ и очередность монтажа.
Монтажная схема стационарного сигнализатора горючих газов
Если на чертеже отображается проводка квартиры, то места расположения осветительных приборов, розеток и другого оборудования указываются на плане. Иногда можно услышать, как такой документ называют схемой электроснабжения, это неверно, поскольку последняя отображает способ подключения потребителей к подстанции или другому источнику питания.
Разобравшись с электрическими схемами, можем переходить к обозначениям указанных на них элементов.
Цифровое программирование
Многие источники питания поддерживают возможность цифрового программирования для режимов стабилизации напряжения (CV) или тока (CC). Устройства работают в режиме стабилизации напряжения при условии, что ток нагрузки меньше установленного значения. После достижения электротоком порогового значения ИП переходит в режим стабилизации тока. Выходное напряжение может ограничиваться, чтобы исключить перегрузку по мощности. Настройка осуществляется через панель управления устройства или с компьютера через интерфейсы USB, LAN, GPIB.
Программирование предоставляет расширенные возможности по управлению. Например, можно формировать последовательность изменений напряжения и тока, генерирование пилообразных и других сигналов для тестирования предохранителей и различных электроприборов.
Нормативные документы
Учитывая большое количество электроэлементов, для их буквенно-цифровых (далее БО) и условно графических обозначений (УГО) был разработан ряд нормативных документов исключающих разночтение. Ниже представлена таблица, в которой представлены основные стандарты.
Читать также: Соединение медного и алюминиевого провода на улице
Таблица 1. Нормативы графического обозначения отдельных элементов в монтажных и принципиальных электрических схемах.
| Номер ГОСТа | Краткое описание |
| 2.710 81 | В данном документе собраны требования ГОСТа к БО различных типов электроэлементов, включая электроприборы. |
| 2.747 68 | Требования к размерам отображения элементов в графическом виде. |
| 21.614 88 | Принятые нормы для планов электрооборудования и проводки. |
| 2.755 87 | Отображение на схемах коммутационных устройств и контактных соединений |
| 2.756 76 | Нормы для воспринимающих частей электромеханического оборудования. |
| 2.709 89 | Настоящий стандарт регулирует нормы, в соответствии с которыми на схемах обозначаются контактные соединения и провода. |
| 21.404 85 | Схематические обозначения для оборудования, используемого в системах автоматизации |
Следует учитывать, что элементная база со временем меняется, соответственно вносятся изменения и в нормативные документы, правда это процесс более инертен. Приведем простой пример, УЗО и дифавтоматы широко эксплуатируются в России уже более десятка лет, но единого стандарта по нормам ГОСТ 2.755-87 для этих устройств до сих пор нет, в отличие от автоматических выключателей. Вполне возможно, в ближайшее время это вопрос будет урегулирован. Чтобы быть в курсе подобных нововведений, профессионалы отслеживают изменения в нормативных документах, любителям это делать не обязательно, достаточно знать расшифровку основных обозначений.
Источники питания с линейными стабилизаторами
Источник питания с линейным стабилизатором – это просто нестабилизированный источник питания, за которым следует транзисторная схема, работающая в своем «активном», или «линейном» режиме, отсюда и название линейный стабилизатор. Типовой линейный стабилизатор предназначен для вывода фиксированного напряжения для широкого диапазона входных напряжений, и на нем просто падает любое избыточное напряжение, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение на нагрузке. Это падение избыточного напряжения приводит к значительному рассеиванию мощности в виде тепла. Если входное напряжение станет слишком низким, схема утратит стабилизацию, что означает, что она не сможет поддерживать неизменное напряжение. Она может только отбрасывать избыточное напряжение, но не может восполнять недостаток напряжения в секции нестабилизированного источника. Поэтому необходимо поддерживать входное напряжение выше требуемого выходного напряжения как минимум на 1–3 вольта в зависимости от типа стабилизатора. Это означает, что мощность, эквивалентная, по крайней мере, 1–3 вольтам, умноженным на полный ток нагрузки, будет рассеиваться схемой стабилизатора, выделяя много тепла. Это делает источники питания с линейными стабилизаторами довольно неэффективными. Кроме того, чтобы избавиться от всего этого тепла, они должны использовать большие радиаторы, которые делают их большими, тяжелыми и дорогими.
Как изображаются однолинейные схемы?
Однолинейные схемы понадобятся для сборки электрощитов. В их основе — устройство защитного отключения (сокращенно УЗО), контакторы, автоматика, нулевые и земляные шины, и другое оборудование. При работе с такой схемой нужно быть особо внимательным, так как часть символов имеет схожий характер. В пример можно привести катушки реле, для графики которых используется только прямоугольник. Однообразно обозначаются контактор и рубильник, здесь главное заметить один небольшой элемент на стационарном контакте.
При составлении однолинейной схемы важно понимать, что некоторые символы обозначаются несколькими значками: скажем, наличие двух галочек подряд указывает на количество проводов.
Нестабилизированные источники питания
Нестабилизированный источник питания – это самый простой тип, состоящий из трансформатора, выпрямителя и фильтра нижних частот. Эти источники питания обычно имеют большие пульсации напряжения (то есть быстро изменяющуюся нестабильность) и другой «шум» переменного напряжения, накладываемые на выходное постоянное напряжение питания. Если входное напряжение меняется, выходное напряжение будет меняться пропорционально. Преимущество нестабилизированного источника питания заключается в том, что он дешевый, простой и эффективный.
