Краткие теоретические сведения

Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.

На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника питания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор Тр, согласующий напряжение сети U_С с напряжением U₂ на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения U_d; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряжения U_dН на нагрузочном устройстве R_Н в условиях изменения напряжения сети и тока в R_Н.

 

Работа выпрямителя характеризуется:

- средним значением выпрямленного напряжения U_d и тока I_d (в нагрузке);

- максимальным обратным напряжением U_{m ОБР};

- коэффициентом пульсации P и частотой f_n пульсаций выпрямленного напряжения;

- внешней характеристикой выпрямителя U_d = F(I_d).

Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением U_d(I_d).

Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а временные диаграммы тока i_Н и напряжения u_Н на нагрузочном устройстве R_Н – на рис. 2б.

Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю.

Ток i_Н в нагрузочном резисторе R_Н появляется только в те полупериоды напряжения u₂, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резисторе u_Н = u₂. В отрицательный полупериод u₂ к диоду приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резистор R_Н протекает только в течение одного полупериода напряжения u₂ и имеет пульсирующий характер.

Наибольшее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

 

U_{2 m ОБР} = pU_d

 

Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления.

Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения u_Н и тока i_Н в нагрузочном резисторе R_Н – на рис. 3б.

Два диода, Д₁ и Д₂, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резистор R_Н включается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный ток i'₂ протекает от «a» через Д₁ и нагрузочный резистор R_Н к точке «о». К диоду Д₂ в это время приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д₂ и нагрузочный резистор R_Н к точке «о», а к диоду Д₁ приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряжения u₂ протекает в одном направлении.

Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжение u_{2 ОБР} на закрытых диодах при одинаковых значениях напряжения u₂ = u₂' = u₂'' в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах.

Широкое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д₁ – Д₄.

Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», ток i₂ проходит через диод Д₁, нагрузочный резистор R_Н и диод Д₃. К диодам Д₂ и Д₄ приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», ток i₂`` проходит от обмотки трансформатора через диод Д₂, нагрузочный резистор R_Н и диод Д₄. К диодам Д₁ и Д₃ в это время приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}.

Таким образом, ток через R_Н в течение периода напряжения u₂ также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя.

Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U_{2m ОБР} = pU_d / 2, а величина пульсаций та же.

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройством R_Н.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.

Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , L и C элементов.

На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; где u₃ - напряжение на выходе выпрямителя без фильтра.

Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор С_ф накапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряжения u₃, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатора C_ф было значительно больше периода Т изменения напряжения u₃. Последнее выполняется тем лучше, чем постоян­ная времени разряда конденсатора τ_разр = R_нC_ф больше пе­риода Т изменения напряжения u₃. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда соп­ротивление R_н нагрузочного устройства велико.

Принцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изме­нениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопро­тивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве.

На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного вып­рямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б).

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависи­мость среднего значении выпрямленного напряжения U_d от сред­него значения потребляемого тока I_d в нагрузочном устройстве.

Поскольку реальные трансформаторы, диоды и индуктивности име­ют конечные величины внутренних сопротивлений, то с увеличе­нием потребляемого тока I_d напряжение на выходе выпрямителя уменьшается за счёт потерь напряжения в схеме. Наклон внешней характеристики зависит также и от типа фильтра (рис. 7). Вып­рямленное напряжение выпрямителя с емкостным или П-образным CLC-фильтрами в режиме холостого хода (I_d = 0) равно амп­литудному значению выпрямляемого напряжения U_3m, до которого заряжается ёмкость фильтра, а выпрямителя без фильтра – сред­нему значению этого напряжения. Однако, уменьшение выпрямлен­ного напряжения в выпрямителях с фильтрами происходит более резко, чем при отсутствии фильтра.

Это объясняется тем, что с уменьшением сопротивле­ния нагрузочного устрой­ства, вызывающим увеличе­ние потребляемого тока, уменьшается постоянная времени цепи разряда кон­денсатора фильтра и уве­личиваются потери напряжения на собственных активных сопротивлениях индуктивного элемента, что приводит к снижению напряжения на нагрузочном устройстве.