Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (выпрямители)

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.

Основой является выпрямитель на одном или нескольких диодах, соединенных по определенной схеме. При построении системы преобразования трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения U₂ при заданном первичном напряжении U₁ (рис. 33) с целью получения требуемой величины постоянного напряжения на выходе.

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Схема однополупериодного выпрямителя

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Наиболее распространены двухполупериодные выпрямители, собираемые по схемам:  мостовой и с выводом средней точки трансформатора.

Рис 33. Мостовая схема включения диодов

Рекомендуемые материалы

При указанной на рис. 33 полярности напряжений вторичной обмотки трансформатора  диоды VD1 и VD3  открыты, а диоды VD4 и VD2 закрыты. При поступлении напряжения u₁ отрицательной полярности полярность напряжений на вторичной обмотке становится обратной. В проводящем состоянии будут находиться диоды  VD4 и VD2, а  диоды VD1 и VD3 будут закрыты.

Такой выпрямитель является двухполупериодным, у него пульсация будет меньше, чем в однополупериодном. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(ωt) (рис. 34 б) однополярных полуволн напряжения U_d(ωt) (рис. 34 в).

Рис. 34.

Напряжение u_d(ωt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Вместе с тем имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора (рис. 35). Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора здесь также определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрямителя.

Рис. 35. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки обмотки трансформатора

Схема выпрямителя показана на рис. 35. Необходимым элементом выпрямителя является силовой трансформатор Тр с двумя вторичными обмотками n=ω₁/ω_2-1=ω₁/ω_2-2 . Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 180°. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов Д₁, Д₂ . Выходное напряжение U_d снимается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих диодов. Принцип действия схемы рассмотрим для случая чисто активной нагрузки R_Н.  При поступлении полуволны напряжения u₁ положительной полярности   на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u_2-1 и u_2-2 с полярностью относительно нулевой точки, показанной на рис. 35 без скобок. К аноду диода Д₁ относительно нулевой точки прикладывается напряжение положительной полярности, а к аноду диода Д₂ - отрицательной. При указанной полярности напряжений на анодах диод Д₁ на интервале 0 —π открыт, а диод Д₂ закрыт. Поскольку в открытом состоянии падение напряжения на диоде мало, практически все напряжение u_2-1 прикладывается к нагрузке R_H, создавая на ней напряжение u_d. На данном интервале анодный ток диода равен току нагрузки i_a1=i_d=u_2-1/R_H. В конце интервала 0—π напряжения и токи в схеме достигают нулевых значений.

При поступлении напряжения u₁ отрицательной полярности полярность напряжений на вторичных обмотках становится обратной. В проводящем состоянии находится диод Д₂ , а диод Д₁ закрыт. К нагрузке R_H прикладывается напряжение u_2-2 определяющее напряжение u_d той же полярности, что и на предшествующем интервале. Теперь токи в схеме определяются полуволной напряжения положительной полярности u_2-2:i_d=i_a2=u_2-2/R_H. В последующем процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то диод Д₁ ,то диод Д₂.

Фильтрацию выпрямленного напряжения осуществляют обычно путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих ф и л ь т р о в. Виды выходных сигналов однополупериодного выпрямителя без фильтра и с простейшим емкостным фильтром приведены на рисунке ниже.

Вместе с этой лекцией читают "28 Декларация независимости США 1776 г".

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов — индуктивностей (катушку с сердечником называют дроссель) и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот—для постоянного тока. Указанные свойства этих элементов используют при построении простейших сглаживающих фильтров: сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор - параллельно ей. Виды сглаживающих фильтров показаны на рис. 36. На рис. 36, а, б представлены схемы простейших одноэлементных сглаживающих фильтров, выполненных соответственно на основе дросселя L_ф и конденсатора С_ф; на рис. 3.28, в - схема однозвенного Г-образного LC-фильтра, а на рис. 3.28, г — схема двухзвенного сглаживающего фильтра с использованием двух Г-образных LС-фильтров. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций.

Рис. 36. Схемы сглаживающих фильтров

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам рис. 36 а, в, г, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный х а р а к т е р, а для сглаживающего фильтра, выполненного по схеме рис. 36  б, — активно-емкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.