Однополупериодный выпрямитель.

Вторичные источники питания

 

К категории вторичных источников питания относят электропреобразова-тельные устройства для получения стабилизированных и нестабилизированных источников постоянного напряжения. Это различные управляемые и неуправляемые, однофазные и трехфазные схемы выпрямления переменного тока, сглаживающие фильтры, пассивные и активные стабилизаторы напряжения, инверторы и др.

 

Однополупериодный выпрямитель.

 

Однополупериодная схема выпрямления относится к категории однофазных выпрямителей, и используется для построения сравнительно маломощных источников питания с невысокими требованиями к пульсациям выпрямленного напряжения.

Поскольку выпрямитель питается чаще всего от промышленной сети (220В, 50Гц), то в схему выпрямителя включают трансформатор для получения требуемой величины выпрямленного напряжения (рис. 12.1).

  

   

 

Рис. 12.1. Схема и временные диаграммы  

      однополупериодного выпрямителя.

 

Во вторичной обмотке трансформатора Т получаем переменную ЭДС Е₂, которая изменяется по синусоидальному закону. Пусть в первый полупериод (интервал 0<ωt<π) полярность Е₂ будет соответствовать указанной на рис. 12.1а. В этот полупериод электрический ток i_d пройдет от (+) вывода вторичной обмотки через диод V 1, через R _н к (–) вторичной обмотки. Так как  R _пр.д << R _н , то выпрямленное напряжение U_d будет приблизительно равно Е₂. Во второй полупериод действия Е₂ (интервал π <ωt<2π) полярность на выводах вторичной обмотки трансформатора поменяется на противоположную, но в этот полупериод диод V 1 не пропустит ток через R _н (рис. 12.1б).

Для оценки величины выпрямленного напряжения следует проинтегриро-вать функцию U_d ( t ) в пределах от 0 до π, и разделить на 2π. В графическом представлении площадь под кривой U_d ( t ) заменить площадью равновеликого прямоугольника с основанием 2π. Высота этого прямоугольника и будет соответствовать среднему выпрямленному напряжению.

Одним из показателей качества выпрямленного напряжения является коэффициент пульсаций К_п. Коэффициент пульсаций – это отношение амплитуды первой гармоники напряжения U _{1 m} выпрямленной функции в разложении Фурье к среднему выпрямленному напряжению U_{d .ср}, то есть: К_п = U _{1 m} / U_{d .ср} . Для рассматриваемой схемы К_п = 1,57.

Недостатки однополупериодной схемы выпрямления:

· Низкое среднее значение выпрямленного напряжения U_{d .ср} = 0,45Е₂.

· Трансформатор загружен всего на 50%.

· Максимальный выпрямленный ток не превышает максимального прямого тока одного диода.

· Обратное напряжение, приложенное к диоду равно амплитудному значению U _обр = Е_{2 m} =1 ,4 1 Е₂.

· Большой коэффициент пульсаций К_п = 1,57.

Достоинства  однополупериодной схемы выпрямления:

· Единственным достоинством схемы является ее простота и низкая стоимость.

 

12.2. Двухполупериодные выпрямители.

 

Двухполупериодные схемы выпрямления также относятся к категории однофазных выпрямителей, и используется для построения источников питания малой и средней мощности с более высокими требованиями к пульсациям выпрямленного напряжения.

В состав выпрямителя также включают трансформатор для получения требуемой величины выпрямленного напряжения. Существуют две схемы двухполупериодного выпрямления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой. Особенностью этой схемы выпрямления переменного напряжения является то, что вторичная обмотка трансфор-матора выполнена в виде двух одинаковых секций, соединенных между собой последовательно с образованием среднего вывода, называемого нулевой точкой (рис. 12.2).

Также как и в предыдущей схеме рассмотрим два полупериода действия пере-менной ЭДС Е₂ в двух секциях вторичной обмотки трансформатора. Пусть в первый полупериод (интервал 0<ωt<π) полярность Е₂ будет соответствовать указанной на рис. 12.2а. В этот полупериод электрический ток i_a пройдет от (+) вывода верхней секции вторичной обмотки трансформатора через диод V 1, через R _н к (–) верхней секции. В этот полупериод в нижней секции обмотки полярность Е₂ такова, что диод V 2 не может пропустить ток. Также как и в предыдущей схеме на

Рис. 12.2. Схема и временные диаграммы работы двухполупериодного

           выпрямителя с нулевой точкой.

 

R_н сформируется первая полуволна выпрямленного напряжения (рис. 12.2б). Во второй полупериод действия Е₂ (интервал π <ωt<2π) полярность на выводах вторичной обмотки трансформатора поменяется на противоположную, и в этот полупериод через R_н пройдет электрический ток от нижней секции вторичной обмотки через диод V 2. Теперь в верхней секции обмотки полярность Е₂ такова, что диод V 1 не может пропустить ток. На R_н сформируется вторая полуволна выпрямленного напряжения (рис. 12.2б). Таким образом секции вторичной обмотки трансформатора работают поочередно, и в каждом полупериоде ток через R_н проходит в одном направлении. Временные диаграммы выпрямленного тока i_d и напряжения U_d приведены на рис. 12.2б.

Оценим величину среднего выпрямленного напряжения:

Коэффициент пульсаций для этой схемы К_п = 0,67.

Недостатки двухполупериодной схемы выпрямления:

· Трансформатор опять загружен всего на 50%.

· Обратное напряжение, приложенное к диоду равно двум амплитудам Е_{2 m} , то есть U _обр = 2Е_{2 m} =2,82Е₂.

· Из за неидентичности э.д.с Е₂, трансформируемых в верхней и нижней секциях вторичной обмотки трансформатора возникает дополнительная пульсация выпрямленного напряжения.

· Сложность изготовления вторичной обмотки трансформатора из двух секций.

Достоинства двухополупериодной схемы выпрямления:

· Среднее выпрямленное напряжение в два раза больше U_{d .ср} = 0,9Е₂.

· Максимальный выпрямленный ток в два раза больше максимального прямого тока одного диода.

· Ниже коэффициент пульсаций К_п = 0,67.

Двухполупериодная мостовая схема  выпрямления. Принципиальная электри-ческая схема этого выпрямителя и временные диаграммы работы приведены на рис. 12.3а и 12.3б соответственно.

    

 

 

Рис. 12.3. Схема и временные диаг-

раммы мостового выпрямителя.

 

Рассмотрим два полупериода действия переменной ЭДС Е₂. При поло-жительной полуволне ЭДС Е₂ (интервал 0<ωt<π) и указанной на рис.12.3а полярности без скобок, выпрямленный ток будет протекать через диод V 1,нагрузку R_н  и диод V 4. Диоды V 2 и V 3 находятся под обратным напряжением и тока не проводят (плюс приложен к катоду, а минус к аноду). При отрицательной полуволне ЭДС Е₂ (интервал π <ωt<2π) и указанной на рис.12.3а полярности в скобках, выпрямленный ток будет протекать через диод V 3,нагрузку R_н и диод V 2. Диоды V 1 и V 4 находятся под обратным напряжением и тока не проводят. И в оба полупериода ток сохраняет свое направление через R_н.

Основные технические характеристики мостовой схемы выпрямле-ния в сравнении с предыдущей аналогичны. То есть среднее выпрям-ленное напряжение U_{d .ср} = 0,9Е₂, и коэффициент пульсаций К_п = 0,67, но мостовая схема обладает рядом достоинств.

Достоинства мостовой схемы выпрямления:

· Полная загрузка трансформатора, вторичная обмотка загружена оба полу-периода.

· Обратное напряжение, приложенное к диоду в два раза ниже, чем у схемы с нулевой точкой.

· Исключены дополнительные пульсации, характерные для схемы с нулевой точкой.

· Мостовая схема может работать и без трансформатора, а схема с нулевой точкой не может.

Недостатки двухполупериодной схемы выпрямления:

· Единственным недостатком мостовой схемы выпрямления является необходимость использования четырех диодов, но так как диоды элементы недорогие, то этот недостаток является формальным.

В насоящее время мостовая схема выпрямления является самой массовой при построении вторичных источников питания.

 

12. 3 . Выпрямители с умножением напряжения.

Схемы выпрямления с умножением напряжения применяются при пост-роении высоковольтных источников питания для нагрузок, потребляющих малые токи (обычно до 10 мА).

Схема выпрямления с удвоением напряжения. Выпрямленное напряжение на выходе такого выпрямителя примерно в два раза выше напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 12.4).

 

 

Рис. 12.4. Схема выпрямления с удвоением напряжения.

 

 

Схема работает следующим образом. При положительной полуволне ЭДС Е₂ (интервал 0<ωt<π) и указанной на рис.12.4 полярности без скобок, через диод V 1 заряжается конденсатор С₁ до амплитудного значения U _{2 m} . В следующий полупериод (интервал π <ωt<2π) Е₂ меняет полярность на противоположную (в скобках), диод V 1 запирается, а напряжение на конденсаторе С₁ складывается с Е₂ (они включены последовательно), и через диод V 2 заряжает конденсатор С₂ практически до значения 2Е₂.

Схема выпрямления с умножением напряжении на четыре. Выпрям-ленное напряжение на выходе такого выпрямителя примерно в четыре раза выше напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 12.5).

 

 

                                                                                                                                 

 

 

Рис. 12.4. Схема выпрямления с умножением напряжения на четыре.

 

Схема состоит из двух удвоителей, рассмотренных ранее. Заряд конденсаторов С₁ и С₂ происходит так же, как в схеме рис 12.4, за один период переменной ЭДС Е₂. За второй период Е₂ аналогично заряжаются конденсаторы С₃ и С₄ через диоды V 3 и V 4 до напряжения 2Е₂. Таким образом, полный заряд всех конденсаторов происходит за два периода действия Е₂, при этом конденсатор С₁ заряжается до напряжения Е₂, а остальные – до 2Е₂.

 

2.4. Трехфазные выпрямители.

 

Трехфазные схемы выпрямления применяют для построения более мощных выпрямителей напряжения. Существуют две типовые трехфазные схемы выпрямления: трехфазный выпрямитель с нулевой точкой, и трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова. Обычно в схему трехфазного выпрямителя входит трехфазный трансформатор, обеспечивающий получение необходимого значения выпрямленного напряжения.

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой. Схема построения такого выпрямителя приведена на рис. 12.5. Первичные обмотки трехфазного трансформатора Тр могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включаются по схеме звезды для образования нулевой точки.

 

Рис. 12.5. Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой.

 

На рис. 12.6 приведены временные диаграммы исходных напряжений вторичных обмоток трехфазного трансформатора u_a ( t ), u_b ( t ), и u_c ( t ), а также выпрямленных напряжений u_d ( t ) и токов i _н ( t ) при резистивной нагрузке.

Рис. 12.6. Временные диаграммы напряжений и токов в трехфазном 

          выпрямителе с нулевой точкой.

Принцип работы рассматриваемой схемы выпрямления основан на том, что в любой произвольный момент времени ток проводит только один диод, потенциал анода которого наиболее положителен. Так в интервале углов от ω t ₁ до ω t ₂ ток проводит диод VD 1, в интервале углов от ω t ₂ до ω t ₃ ток проводит диод VD 2, а в интервале углов от ω t ₃ до ω t ₄ – диод VD 3. В результате функция выпрямленного напряжения u_d ( t ) представляет собой огибающую по верхним частям синусоид трехфазной системы напряжений u_a ( t ), u_b ( t ), и u_c ( t ) рис. 12.6.

Для оценки величины среднего выпрямленного напряжения следует проинтегрировать функцию u_a ( t ) на интервале от ω t ₁ =π/6 до ω t ₂ =5π/6 и разделить результат на угол ω t ₂ – ω t ₁ =2π/3.

 

Коэффициент пульсаций для этой схемы К_п = 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя он К_п = 0,67, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты сетевого напряжения.

Достоинства трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой:

· Больше величина выпрямленного напряжения – U_{d .ср.} =1,165 U ₂, где U ₂ действующее значение напряжения во вторичных обмотках.

· Меньше коэффициент пульсаций – К_п = 0,25.

· Выпрямленное напряжение никогда не снижается до нуля.

· Максимальный выпрямленный ток в три раза больше тока одного диода.

Недостатки трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой:

· Трансформатор работает с подмагничиванием и загружен всего на 1/3.

· К диодам прикладывается повышенное обратное напряжение – 1,5 U _{2 m}.

Трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова. Схема построения тако-го выпрямителя приведена на рис. 12.7. Первичные и вторичные обмотки трехфазного трансформатора Тр могут включаться по схеме звезды или треугольника.

 

Рис. 12.7. Схема трехфазного мостового выпрямителя Ларионова.

 

На рис. 12.8 приведены временные диаграммы исходных напряжений вторичных обмоток трехфазного трансформатора u_a ( t ), u_b ( t ), и u_c ( t ), а также выпрямленных напряжений u_d ( t ) и токов i _н ( t ) при резистивной нагрузке.

Рис. 12.8. Временные диаграммы напряжений и токов в трехфазном 

          Мостовом выпрямителе Ларионова.

 

Принцип действия такого выпрямителя основан на том, что в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, один из них – потен циал анода которого наиболее положителен, и второй, – потенциал катода которого наиболее отрицателен. Так в интервале углов от ω t ₁ до ω t ₂ самым положительным напряжением является u_a ( t ) и ток проводит диод VD 1, а самым отрицательным напряжением является u_b ( t ), значит ток проводит диод VD 5.В интервале углов от ω t ₂ до ω t ₃ самым положительным напряжением остается u_a ( t ) и диод VD 1 продолжает проводить ток, а самым отрицательным напряжением стало u_c ( t ), и теперь ток пропускает VD 6, и так далее.

В результате на плюсовом и минусовом выводах выпрямителя формируются напряжения в виде огибающих соответственно по верхним и нижним частям синусоид трехфазной системы напряжений u_a ( t ), u_b ( t ), и u_c ( t ) относительно точки 0^' рис. 12.8.

Функция выпрямленного напряжения u_d ( t ) определяется как разность между верхней и нижней огибающими (рис. 12.8).

Для оценки величины среднего выпрямленного напряжения следует проинтегрировать разность функций [u_a ( t )- u_b ( t )], на интервале от ω t ₁ =π/6 до ω t ₂ =π/2 и разделить результат на угол ω t ₂ – ω t ₁ =2π/6.

Коэффициент пульсаций для этой схемы К_п = 0,057, в то время как для схемы с нулевой точкой К_п = 0,25, при этом частота пульсаций в шесть раз выше частоты сетевого напряжения.

Достоинства трехфазного мостового выпрямителя:

· Больше величина выпрямленного напряжения – U_{d .ср.} =2,33 U ₂, где U ₂ действующее значение напряжения во вторичных обмотках.

· Меньше коэффициент пульсаций – К_п = 0,057.

· Выпрямленное напряжение никогда не снижается до нуля.

· Максимальный выпрямленный ток в три раза больше тока одного диода.

· Отсутствует подмагничивание трансформатора и он загружен на 2/3.

· Вдвое меньше обратное напряжение, приложенное к диоду.

· Выпрямленное напряжение никогда не снижается до нуля.

Недостатки трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой:

· Единственным недостатком является необходимость использования шести диодов, но поскольку диоды достаточно дешевы, то этот недостаток является формальным.

·

Сглаживающие фильтры.

 

Сглаживающие фильтры предназначены для подавления пульсаций выпрямленного напряжения после выпрямителя. Поэтому сглаживающие фильтры устанавливают сразу после выпрямителя непосредственно перед нагрузкой или стабилизатором напряжения (рис. 12.9).

 

Рис. 12.9. Подключение сглаживающего фильтра.

 

Количественно степень подавления пульсаций сглаживающим фильтром оценивается коэффициентом сглаживания Q _ф, который равен отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра К_п.вх к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра К_п.вх. Чем больше коэффициент сглаживания фильтра Q _ф, тем лучше

 

Наиболее часто в качестве сглаживающих фильтров применяют ем-костной фильтр или Г-образные LC или RC фильтры, а также их комбинации (рис. 12.10).

     Рис. 12.10. Схемы сглаживающих фильтров.

 

Емкостные сглаживающие фильтры (рис. 2.10а). Их используют тогда, когда нагрузка потребляет небольшие токи. Выпрямленными импульсами напряжения конденсатор заряжается, и в промежутках между импульсами разряжается через R_н (рис. 12.11).

Рис. 12.11. Влияние С_ф на U_d.

 

Грубо коэффициент сглаживания такого фильтра можно оценить в виде:

,

где: ω_п – частота пульсаций; С_ф – емкость конденсатора;

   R _н – сопротивление нагрузки.

 

Из приведенного выражения следует, что чем больше емкость конденса-тора С_ф и сопротивление R _н, тем больше коэффициент сглаживания. Поэтому в фильтрах применяют электролитические конденсаторы большой емкости.

Сглаживающие RC -фильтры (рис.12.10б). Их также используют тогда, когда нагрузка потребляет небольшие токи (не более 20 мА). Конденсатор заряжается через R _ф, и так как через R _ф проходит весь ток I _н, то за счет падения напряжения I _н R _н напряжение на R _н снижается. Приблизительно коэффициент сглаживания такого фильтра можно оценить в виде:

,

Сглаживающие LC -фильтры (рис.12.10в). Их используют тогда, когда нагрузка потребляет более значительные токи (более 20 мА). Конденсатор заряжается через L _ф, и так как L _ф имеет малое активное сопротивление, то даже при прохождении тока I _н через L _ф, падение напряжения наиндуктивности невелико, и напряжение на R _н снижается незначительно, и потому к.п.д LC -фмльтра выше. Приблизительно коэффициент сглаживания такого фильтра можно оценить в виде:

,

Наиболее эффективны так называемые П-образные фильтры, которые представляют собой цепочку из последовательно включенных емкостного фильтра и одного из рассмотренных RC - или LC -фильтра, в зависимости от силы тока нагрузки. Общий коэффициент сглаживания такого фильтра оценивается как произведение коэффициентов сглаживания составляющих фильтров.