Источники вторичного электропитания. Практикум

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 621.38 
ББК 32.85 

П44 

Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мультисервисных сетей и информационной безопасности» Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики  В. Г. Карташевский; 
кандидат техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Сетей связи и систем коммутации» ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени 
Н. П. Огарёва»  В. В. Никулин. 

Подгорный В. В., Семенов Е. С. 

П44     Источники вторичного электропитания. Практикум. Учебное 
пособие для вузов. − М.: Горячая линия–Телеком, 2013.− 150 с., 
ил. 
ISBN 978-5-9912-0308-1. 

Систематически изложен лабораторный курс «Источники вторичного электропитания», который охватывает основные типы линейных 
и импульсных однотактных источников питания. Приведено описание 
девяти лабораторных работ. Для каждой работы даны: теоретическое 
введение с изложением физического принципа работы изучаемой схемы; краткий вывод и строгое обоснование основных рабочих формул 
с указанием границ их применимости; описание экспериментальной 
установки; программа работы и методические рекомендации по обработке результатов; список контрольных вопросов и рекомендованной 
для самостоятельного изучения литературы. Каждая работа сопровождается подробным теоретическим материалом в форме конспективного изложения основных разделов лекций, поэтому данное пособие 
может быть полезно студентам при подготовке к экзамену по теоретическому курсу.  
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 210400 – 
«Телекоммуникации»; 210700 – «Инфокоммуникационные технологии 
и системы связи», и может также служить справочным пособием при 
изучении курсов специализаций, а также при выполнении курсовых 
и дипломных работ. 

ББК 32.85 

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 
Учебное издание 

Подгорный Владимир Викторович, Семенов Евгений Сергеевич 

Источники вторичного электропитания 

Учебное пособие для вузов 

 
Подписано к печати 15.07.2013. Формат 60×88 1/16. Усл. печ. л. 9,5. Изд. № 130308. Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.) 

ISBN 978-5-9912-0308-1                           © В. В. Подгорный, Е. С. Семенов, 2013 

© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013 

Введение.
Общие сведения об источниках
вторичного электропитания

Сведения общего характера об источниках вторичного электропитания можно почерпнуть из многочисленной литературы, например [1–8].
Источник вторичного электропитания — далее блок питания
(БП) — устройство, предназначенное для формирования требуемого
потребителю (нагрузке) напряжения (при заданном диапазоне токов
нагрузки) как при питании его от электрической сети, так и от других источников питания (аккумуляторов, гальванических элементов).
Чаще всего этот термин применяется в отношении функционально и
конструктивно законченных устройств, преобразующих гармонический переменный ток бытовой сети напряжением 220 B и частотой
50 Гц или промышленный трехфазный ток напряжением 380 B в требуемые ток и напряжение (как правило, постоянные). В других странах используют иные напряжения и частоты гармонического тока. По
способу преобразования параметров мощности первичной сети гармонического тока блоки питания разделяют на линейные и импульсные.
Классическим линейным блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего (повышающего) трансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на
сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). Выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост
(двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие
схемы, например в выпрямителях с удвоением напряжения.
После
выпрямителя устанавливается фильтр нижних частот, сглаживающий колебания (пульсации) напряжения.
Обычно он представляет
собой просто конденсатор большой ёмкости.
Для дальнейшего повышения качества постоянного напряжения используют различные
электронные схемы сглаживания пульсаций (стабилизации) выходного тока и напряжения, которые дополняются схемами защиты от перегрузки и короткого замыкания. Стабилизаторы подразделяются на
параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы напряжения выполняются с использованием нелинейных элементов, которые имеют вольт-амперную характеристику, удовлетворяю

Введение

щую условию U = const. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутую систему с измерительным элементом, в которой стабилизируемая величина (напряжение на нагрузке) сравнивается с эталонной и вырабатывается сигнал рассогласования. Этот сигнал затем преобразуется, усиливается и поступает на регулирующий
элемент, изменяя его состояние таким образом, чтобы поддерживать
стабилизируемое значение напряжения с требуемой точностью.
Достоинства линейных БП:
• простота конструкции и надежность;
• доступность элементной базы;
• отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных,
создающих помехи за счет гармонических составляющих).
Недостатки линейных БП:
• большой вес и габариты, особенно при большой мощности, металлоемкость;
• компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного
напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется
стабилизатор, вносящий существенные дополнительные потери.
Импульсные блоки питания являются инверторной системой —
разновидностью силового электронного устройства для преобразования переменного гармонического напряжения частотой 50 Гц в переменное напряжение другой, более высокой частоты. В импульсных
блоках питания переменное входное напряжение сети сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, подаваемые или на трансформатор (в случае импульсных БП
с гальванической развязкой от питающей сети), или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы —
это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, необходимым для передачи эквивалентной
мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферритов (ферромагнитных материалов с высоким удельным сопротивлением), в отличие от сердечников низкочастотных
трансформаторов, для которых используется электротехническая
сталь.
В импульсных БП стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и
нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами.
В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от

Введение
5

выходного напряжения) изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Таким образом, блок питания поддерживает
стабильное выходное напряжение.
Основные достоинства импульсных БП. Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им
импульсные стабилизаторы обладают следующими достоинствами:
• меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно
использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности, а для сглаживания пульсаций конденсатор
существенно меньшей емкости. Масса линейных стабилизаторов
складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных
силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90...98%) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны
с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо
включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов
высокой мощности.
Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при
сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью (блоки
питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой техники
почти исключительно импульсные);
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это
означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах
мира — Россия/США/Великобритания, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках;
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.
Недостатки импульсных БП:
• работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;
• все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим

Введение

принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие
устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо
применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры;
• в распределённых системах электропитания появляется эффект
гармоник, кратных трём. Для первичной сети 50 Гц импульсный
БП является существенно нелинейной нагрузкой (в отличие от
линейных БП). В результате импульсные блоки питания искажают гармоническую форму питающего напряжения, что проявляется в возникновении в сети гармонических составляющих этого
напряжения.

Г л а в а
1

Базовые элементы и схемы
источников вторичного
электропитания

Рассмотрим свойства основных элементов источников питания, в
которых происходит преобразование параметров электрической мощности первичных источников, к которым относится сеть переменного тока 220 В/50 Гц либо аккумулятор или гальванический элемент.
Разберем также работу базовых электрических цепей, которые применяются в схемах источников питания.

1.1. Преобразование параметров мощности
первичной электрической сети: трансформатор

Рис. 1.1. Идеальный
трансформатор

Рассмотрим двухобмоточный сетевой трансформатор, на первичную обмотку которого подано напряжение с действующим значением 220 B
частотой 50 Гц. К вторичной обмотке трансформатора подключена активная нагрузка Rн, как
показано на рис. 1.1. Современные сетевые трансформаторы обладают высокими показателями
КПД (до 98 %), поэтому тепловыми потерями преобразования параметров мощности в дальнейшем пренебрегаем, считая трансформатор идеальным. Пусть первичная обмотка трансформатора содержит n1 витков провода, а вторичная — соответственно n2
витков. Величина n = n2/n1 называется коэффициентом трансформации.
Входное и выходное напряжения трансформатора связаны
через n:

U2 = nU1.
(1.1)

Если n2 < n1 (n < 1), то трансформатор понижает напряжение
и называется понижающим (в противном случае трансформатор —
повышающий). Для идеального трансформатора мощность, потребляемая от сети (активная мощность в первичной обмотке), равна мощности, потребляемой нагрузкой (активная мощность во вторичной об

Г л а в а 1

мотке):
˙U1 ˙I1 = ˙U2 ˙I2.
(1.2)

Для трансформатора с несколькими вторичными обмотками правая часть (1.2) есть сумма мощностей, потребляемых нагрузками всех
вторичных обмоток. Из (1.2) и (1.1) легко определить амплитуду тока, потребляемую нагрузкой,
˙I2 = ˙I1/n,

а также входное сопротивление трансформатора

Rвх =
˙U1
˙I1
=
˙U2

nn˙I2
= Rн

n2 .

Таким образом, понижение напряжения сопровождается пропорциональным увеличением потребляемого нагрузкой тока. Например,
сварочный трансформатор понижает напряжение сети 220 B примерно в 10 раз (n = 0,1). Для устойчивого горения электрической дуги
необходим ток I2 не менее 100 А. Таким образом, необходим сварочный трансформатор мощностью

P0 = ˙U1 ˙I1 = ˙U1n˙I2

больше или равной 2,2 кВт.
В свою очередь предельная мощность сетевого трансформатора
определяется массогабаритными параметрами сердечника и его ферромагнитными свойствами. Основными характеристиками материала
сердечника являются индукция насыщения Bs и коэрцитивная сила
Hc. Для сердечников из трансформаторной стали, которая используется в трансформаторах промышленной частоты 50 Гц, эти величины
изменяются в пределах: Bs = 1,5...2,4 Тл; Hc = 20...100 А/м.
Если в процессе работы трансформатора индукция магнитного
поля достигает насыщения, резко возрастает амплитуда тока обмотки и как следствие — тепловые потери в ней. На практике следует
ограничить значение индукции примерно до 1,5 Тл. Гармоническое
напряжение обмотки трансформатора можно определить из закона
электромагнитной индукции:

U = −dΦ

dt = −Snо
dB
dt ,

где S — площадь поперечного сечения сердечника обмотки, nо — количество витков обмотки. При гармоническом характере изменения
магнитной индукции получим связь амплитуд напряжения и индукции магнитного поля:

Um = 2πfSnоBm.

Элементы и схемы источников вторичного электропитания
9

Рис. 1.2. Тородоидальный
трансформатор

Рассмотрим трансформатор с сердечником тороидальной формы, показанный на рис. 1.2. Поле
H на средней линии магнитопровода определяется
с помощью теоремы о циркуляции:

H = nоi/ℓ,

где ℓ — длина средней линии сердечника; i — ток
обмотки. Предельное значение тока соответствует
достижению насыщения материала сердечника при
H = Hm, откуда допустимая амплитуда тока

Im = Hmℓ/nо.

Таким образом, максимальная электрическая мощность трансформатора
P0 = UmIm/2 = πfHmBmSl.
(1.3)

Для Hm = 200 А/м, Bm = 1,5 Тл, f = 50 Гц получим

P0 ≈ 5 · 104Vs,

где Vs = Sl — объем сердечника, м3. Из (1.3) видно, что массогабаритные параметры сердечника трансформатора напрямую зависят от
частоты преобразования переменного тока и на низкой сетевой частоте они очень велики, что ограничивает область применения линейных
БП высокой мощности. Так, например, для сварочного трансформатора мощностью в 2 кВт потребуется сердечник объемом 4 · 10−2 м3 и
массой около 30 кг. Поэтому в современных БП идут по другому пути,
а именно по пути повышения f, то есть переходу на импульсные блоки питания, которые преобразуют мощность на частоте, существенно
выше сетевой. Такие блоки питания на порядки легче и значительно
меньше по габаритным размерам, чем классические линейные.

1.2. Мостовой выпрямитель с емкостным
фильтром
Электрическая схема выпрямителя показана на рис. 1.3. На вход
трансформатора подается напряжение от сети 220 B частотой 50 Гц.
На вторичной обмотке напряжение U2 изменяется с амплитудой U0 =
= nv
√

2·220 B, где n — коэффициент трансформации. Ток положительной (относительно нижнего вывода вторичной обмотки трансформатора) полуволны напряжения U2 проходит через диод VD1, нагрузку Rн и диод VD3, быстро подзаряжая конденсатор С до напряжения
Um = U0 − 2Ud, где Ud ≈ 0,7 B — прямое падение напряжения на диоде. После подзарядки конденсатор сравнительно медленно разряжается через сопротивление Rн. Отрицательная полуволна напряжения
U2, превышая напряжение Uн разряжающегося конденсатора С, вновь

Г л а в а 1

Рис. 1.3. Схема выпрямителя
Рис. 1.4. Выходное напряжение мостового выпрямителя с емкостным
фильтром

быстро подзаряжает его через маленькое сопротивление включенных
в прямом направлении диодов VD4 и VD2 до напряжения U0 − 2Ud.
Далее процесс продолжается для положительной полуволны напряжения U2. В результате на нагрузке выпрямителя наблюдается пульсирующее с частотою 2f постоянное напряжение, как показано на
рис. 1.4.
Найдем падение напряжения на участке t1 − t2 ≈ T/2 (T = 1/f),
который соответствует падению напряжения разряжающегося конденсатора. Принимая значение t1 за ноль отсчета времени, для Uн(t)
получим
Uн(t) = Um exp(−t/τ),
(1.4)

где τ = RнC — постоянная времени цепи разряда. К моменту времени t2 напряжение достигнет значения Uн(T/2). Для эффективного
сглаживания пульсаций необходимо, чтобы это напряжение не сильно
отличалось от Um, то есть должно выполняться условие

T ≪ 2τ.
(1.5)

В этом случае можно считать, что зависимость (1.4) линейна и амплитуда пульсации напряжения

∆U = Um − U(T/2) = Um[1 − exp(−T/(2τ)] ≈ UmT/(2τ).
(1.6)

Очевидно, что среднее значение постоянного напряжения на выходе выпрямителя

Uср = Um − ∆U/2 = Um

(
1 − T

4τ

)
.
(1.7)

Важной характеристикой сглаживающего фильтра является коэффициент пульсации выходного напряжения, который определяется
как отношение амплитуды пульсации к среднему напряжению:

k = ∆U

Uср
=
T/2τ

1 − T/4τ .
(1.8)

Чем меньше k, тем выше качество выходного напряжения, однако
на практике при малом сопротивлении нагрузки Rн для качествен