роботы
робототехника
микроконтроллеры
Главная
Как сделать робота
Новости
Спорт
Статьи
Wiki
Форум
Downloads
Ссылки
Контакты  

О питании. Часть первая.

Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.
Данный цикл статей является попыткой в очень сжатом виде представить различные темы и вопросы о питании электроники. Статья представляет собой не инструкцию, а , скорее, приблизительное руководство с учётом личного мнения и опыта автора.

Источники питания.

Все электронные устройства можно грубо разделить на два типа: стационарные и портативные (мобильные, переносные). В зависимости от этого в них применяются и различные источники питания. В мобильных электронных устройствах применяются в основном так называемые первичные источник питания, в стационарных - вторичные источники питания.

Первичный источник питания - источник тока, в котором различные виды энергии превращаются в электрический ток. Например: батарейка, электрогенератор, солнечный элемент.
Вторичный источник питания - не вырабатывает, а лишь преобразует электрический ток до определённых параметров. Например: трансформатор, электронный или электромеханический преобразователь.

Многие первичные источники питания (батарейки, аккумуляторы, солнечные элементы, топливные элементы, теплогенераторы) вырабатывают постоянный ток. От остальных первичных источников питания, а так же практически от всех вторичных источников питания получают переменный ток. А так как почти все электронные схемы работают на постоянном токе, полученный переменный ток необходимо преобразовать в постоянный, это делается с помощью выпрямителя.

Выпрямитель электрического тока - устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Рис. 1. Схемы выпрямителей.

Для выпрямления огромных токов, или в специальных установках, выпрямлнение тока может производиться с помощью электромеханических выпрямительных устройств. Но в большинстве случаев для выпрямления тока используются схемы с одним или несколькими диодами: Рис. 1 а)-однополупериодный выпрямитель, Рис. 1 б)-выпрямительный мост).



Рис. 2. Сглаживающий фильтр.

Электрический ток, пройдя через выпрямитель, хоть и течёт в одну сторону, но течёт пульсирующе. Для сглаживания пульсаций тока применяется сглаживающий электрический фильтр (Рис. 2).
Простейший сглаживающий фильтр может состоять из одного или нескольких конденсаторов большой ёмкости (Рис. 2 "а)"). Фильтры, состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей), имеют большую эффективность (LC-фильтр на Рис.2 "б)"). Иногда применяют и многоступенчатые LC-фильтры.

При питании электронных устройств от источников питания постоянного тока надобность в выпрямителе отпадает. Сглаживающий фильтр при этом иногда всё же ставят. Это позволяет снизить внутреннее сопротивление источника против импульсов тока нагрузки: в моменты резкого токопотребления основная часть энергии будет отбираться из конденсаторов фильтра, а не напрямую из источника питания, например, батарейки.

Внутренее сопротивление источника тока.

Любой реальный источник тока (батарейка, электрогенератор, трансформатор) имеет внутренее сопротивление. Что бы объяснить это явление и его влияние его на работу схемы, используют схему замещения источника тока (Рис. 3)

Представление элемента электрической цепи отдельными его параметрами (сопротивлением, ёмкостью, индуктивностью) называется схемой замещения или эквивалентной схемой.

Рис. 3. Схема замещения источника питания.


Знаками "+" и "-" на Рисунке 3 обозначены наружние контакты реального источника тока, например, клеммы батарейки. Буквой "E" обозначен идеальный (теоретический) источник тока. Сопротивление R1 соединёно последовательно с источником тока, R2 - параллельно источнику. Оба эти сопротивления находятся внутри источника тока, и величина их зависит от его типа. В батарейках, например, эти сопртивления состоят из переходного сопротивления между электролитом и электродами батарейки, в трансформаторном источнике тока - это сопротивление состоит из сопротивления обмотки и сопротивления выпрямительного устройства. Сопротивление R1 обычно находится в пределах от нескольких миллиом до нескольких Ом (относительно малое сопротивление). Сопротивление R2 - сопротивление изоляции между контактами, это сопротивление достигает нескольких десятков мегаом (очень большое сопротивление).
Так как внутреннее сопротивление R1 включено последовательно с нагрузкой, то при повышении тока через него (а значит и через подключённую нагрузку) растёт и падение напряжения на R1. То есть часть напряжения как бы "остаётся внутри источника". Это объясняет "проседаение" напряжения на контактах источника тока при подключении большой нагрузки.
Сопротивление R2 объясняет явление саморазряда батарейки, так как оно замыкает наружние клеммы источника тока и через него постоянно течёт очень маленький ток в несколько микроампер ("ток саморазряда").

Объяснённые эффекты действительны с любым реальным источником тока: батарейкой или аккумулятором, сетевым блоком питания или электрогенератором; любой реальный источник тока имеет внутренее сопротивление. Внутренее сопротивление одного и того же источника питания может изменяться с течением времени в результате протекания химических или физических процессов как внутри самого источника питания (например, так называемая "сульфатация" в свинцовых аккумуляторах), так и снаружи его (например, повышение температуры окружающей среды).

Электронный стабилизатор.

В процессе работы напряжение на контактах источника питания изменяется. Причин такого изменения напряжения может быть несколько:

  • У вторичных источников питания: отклонения напряжения в питающей сети.
  • У химических источников питания (батареи, аккумуляторы): частичный разряд.
  • Изменение потребляемого тока питаемой конструкцией.
  • Изменение внутреннего сопротивления источника тока.

Для компенсации этого естественного изменения напряжения на выходе источника питания применяют электронные стабилизаторы (далее просто "стабилизатор").

Электронный стабилизатор - это устройство, автоматически поддерживающее постоянство определённого параметра (часто напряжение или ток) на выходных контактах.

Стабилизаторы применяются в первую очередь для питания тех электронных схем, которые специально расчитаны для работы от источника питания со строго определёнными и постоянными параметрами.
Стабилизаторы в зависимости от способов построения схемы можно разделить на несколько типов:

По типу регулировки: Линейные Импульсные
По виду подключения нагрузки: Последовательные
Параллельные
По способу стабилизации: Параметрические
Компенсационные
По виду преобразования: Понижающие ("Step-Down")
Повышающие ("Step-Up")
Инвертирующие ("Inverter")
Табл. 1 Типы стабилизаторов


Встречаются так же и комбинированные схемы стабилизаторов.

Стабилизаторы напряжения поддерживают постоянство напряжения на выходных контактах. Стабилизаторы тока - обеспечивают постоянство тока в нагрузке. Стабилизаторы тока применяются в специальных схемах, например для зарядки аккумуляторов. Наиболее же часто для питания электронных схем требуются стабилиазторы напряжения.
Существует множество типов и схемных решений стабилизаторов. Разные схемы при этом имеют как достоинства так и недостатки. Выбор оптимального типа стабилизатора - это довольно сложный вопрос, на который влияет множество факторов.
Несмотря на разнообразие схем, наибольшее распространение в электронных конструкциях получили два типа стабилизаторов напряжения:

  • Стабилизаторы линейного типа регулировки с последовательным подключением нагрузки и компенсационной стабилизацией выходного напряжения. Типичный представитель: серия КРЕН (аналог LM78xx).
  • Стабилизаторы импульсного типа регулировки с повышающей или понижающей функцией преобразования. Типичный представитель: К1156ЕУ5 (аналог MC34063).


Кратко рассмотрим принцип работы хорошо известного линейного компенсационного стабилизатора.


Рис. 4. Блок-схема линейного
компенсационного стабилизатора.

На рисунке 4 изображена внутренняя блок-схема стабилизатора серии LM78xx ("xx" - выходное напряжение стабилизатора этой серии).
Опорный Источник ОИ является задающей основой и неотъемлемой частью всех стабилизаторов. В простейшем случае он может представлять собой параметрический стабилизатор на стабилитроне. Опорный источник вырабатывает точно заданное напряжение UОИ, но способен обеспечить лишь очень маленький ток нагрузки.
Блок Сравнения БС непрерывно сравнивает напряжение на выходных контактах стабилизатора (напряжение обратной связи) Uобр. с напряжением Опорного Источника UОИ. Блок Сравнения может быть построен на операционном усилителе или на нескольких транзисторах.
Выход Блока Сравнения соединён с Регулирующим Элеметном РЭ. Регулирующий Элемент может менять своё сопротивление в зависимости от управляющего сигнала Блока Сравнения. Таким свойством обладают все транзисторы, поэтому в качестве Регулирующего Элемента внутри стабилизатора LM78xx и стоит обыкновенный транзистор.
Теперь, если по каким-то причинам напряжение на выходе стабилизатора начало снижаться, Блок Сравнения начнёт сильнее открывать Регулирующий Элемент (уменьшать его сопротивление). Это повлечёт за собой увеличение выходного напряжения стабилизатора. Такое увеличение напряжения будет продолжаться до тех пор, пока выходное напряжение не сравняется с напряжением Опорного Источника. После чего схема придёт в равновесие. Если вдруг выходное напряжение увеличится выше нормы, произойдёт обратный процесс: Регулирующий Элемент будет немного закрываться и выходное напряжение падать.
В результате этих процессов стабилизатор будет постоянно стараться компенсировать изменение напряжения на источнике питания и будет стремиться поддерживать выходное напряжение на заданном уровне. Можно сказать, что последовательный параметрический стабилизатор - это последовательно с нагрузкой включённый автоматический резистор, сопротивление которого автоматически изменяется для поддержания выходного напряжения.
Для обеспечения нормальной работы такого стабилизатора входное напряжение должно быть больше чем выходное. Для стабилизатора 5 вольт, например, LM7805 минимальное входное напряжение должно быть 7 вольт.


Рис. 5. Блок-схема стабилизатора тока.

Линейный стабилизатор тока построен идентично стабилизатору напряжения. В стабилизаторе тока (Рис. 5.) последовательно с нагрузкой включен резистор малого сопротивления R (от сотых долей Ома до нескольких Ом). Падение напряжения UR на резисторе R постоянно сверяется с напряжением от Опорного Источника ОИ. В случае неравенства величины напряжения на R и напряжения Опорного Источника, Блок Сравнения откорректирует Регулирующим Элеметном РЭ выходное напряжение таким образом, что бы ток через нагрузку оставался неизменным. А так как ток через нагрузку течёт и через токовый резистор R, то по закону Ома падение напряжения на нём (UR) меняется.


Рис. 6. Схема стабилизатора тока.

Простейший стабилизатор тока величной до 1 Ампера можно собрать на микросхеме LM317 (Рис. 6).

Импульсные стабилизаторы тока или напряжения функционируют на похожем принципе, но Регулирующий Элемент управляется Блоком Сравнения в импульсном режиме, а схема обычно дополнительно содержит накопительный дроссель (катушку). Схематично импульсные стабилизаторы построены сложнее, но современные микросхемы позволяют собрать импульсный стабилизатор всего на нескольких элементах.

Используя вышеописанные части (первичный или вторичный источник питания, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения), можно собрать полноценный стабилизированный блок питания (Рис. 7):


Рис. 7. Блок-схема стабилизированного блока питания.


Если блок питания предназначен для стационарной конструкции - в качестве источника питания используется трансформатор с выпрямителем, если это переносная/мобильная конструкция - используются батарейки или аккумуляторы. Выработанное тут напряжение подаётся на фильтр 1, а затем на стабилизатор. Фильтр 2 повышает эффективность работы стабилизатора блока питания и дополнительно защищает от помех. Стабилизированное напряжение после второго фильтра предназначенно для питания чувствительных электроных схем.
Нестабилизированное напряжение после фильтра 1, указанное пунктирной линией, может использоваться для раздельного питания.
Что такое раздельное питание и для чего оно используется, мы рассмотрим в следующей части статьи. Кроме того, во второй части статьи будут затронуты темы:

  • Явление помех в электронных устройствах.
  • Гальваническая развязка.
  • Борьба с помехами в питании.
  • Выбор аккумулятора или батареек.
  • Выбор типа стабилизатора.
  • Пути снижения токопотребления.


Смелых и Удачных Экспериментов!!!


Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.

Дополнения и файлы:

Автор: nest

Размещение этой статьи на других сайтах как полностью, так и частично разрешено только после согласования с администрацией myROBOT.RU

Мой робот Wiki

Открытое информационное пространство по робототехнике, электронике, программированию микроконтроллеров, в рамках которого любой участник может добавлять или редактировать материалы сайта.

  1. Проекты
  2. Статьи
  3. Библиотека кодов
  4. Компоненты
  5. Эксперименты
  6. Советы и хитрости