L_2 (Конспекты лекций)

1Лекция 2.ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ1. Введение.2. Выпрямительные устройства.3. Линейные стабилизаторы напряжения параметрического типа.4. Теоретическое обобщение по теме.1. Введение.Все источники питания можно выделить в две группы ─ первичные ивторичные.Примером источника первичного электропитания может быть аккумулятор или простейшая батарейка от фонаря: когда аккумулятор заряжается отисточника, то происходит преобразование электрической энергии в химическую, а когда разряжается (через нагрузку) ─ химической в электрическую. Тоесть, происходит однократное преобразование энергии.Источники вторичного электропитания отличаются от первичных тем,что в них происходит многократное преобразование энергии.На рис.2.1.

представлена структурная схема источника вторичного электропитания, на выходе которого, после многократного преобразования, к нагрузке подводится постоянное стабилизированное напряжение.СетьТрансформаторВентильн.комплектФильтрСтабилизаторК нагрузкеРис.Рис.2.1. Структурная схема источника вторичного электропитанияТрансформатор преобразует переменное напряжение в переменное, ноодной величины в другую (понижает или повышает).2Вентильный комплект преобразует переменное напряжение в постоянное(параметры и характеристики полупроводниковых диодов подробно даны вразделе первом, в лекции 1).Фильтры сглаживают пульсацию в выпрямленном напряжении.Стабилизаторы поддерживают постоянным заданное для нагрузки напряжение (стабилизирует).Рассмотрим работу схем однополупериодных и двухполупериодных выпрямительных устройств при разных характерах нагрузки.2. Выпрямительные устройства.2.1. Однополупериодный выпрямитель (ОПВ), работающий на активную нагрузкуВыпрямительный элемент в схеме выпрямителя включается между источником переменного напряжения и нагрузкой.U2а)t0U1t1t2t3t4tt1t2t3t4tVDТРU2Uн+Rн–Uнб)U0t0tв)а)Uобрб)Рис.2.2.

Однополупериодный выпрямитель: а ─ схема ОПВ; б ─ диаграммы напряжений вузловых точках схемыВ разделе 1 «Элементная база электроники», в лекции 1 было достаточноуделено внимания большой группе полупроводниковых диодов ─ выпрями-3тельным диодам. Поэтому, прежде, чем рассматривать применение выпрямительных диодов в конкретных схемах, давайте вспомним основное правилодля отпирания и запирания диода ─ отпирание диода возможно при условии,если потенциал анода будет больше потенциала катода.В схеме (рис.2.2а) ОПВ диод отпирается и пропускает ток при действиина него положительной полуволны питающего напряжения, а запирается придействии отрицательной полуволны. Таким образом, ток в цепи нагрузки в течение всего периода течёт в одном направлении, следовательно, схема обладает выпрямительными свойствами.2.1.1. Анализ работы схемы, качества выпрямления.Напряжение на нагрузке имеет сложную форму; содержит одну постоянную и ряд гармонических составляющих тока,Такую форму напряжения удобнее представлять в виде ряда с помощьюпреобразования ФурьеU вых =U 2mπ+U 2m2U 2m2U 2msin ϖt −cos ϖt −cos 4ϖt.....23π15πДля нагрузки важна постоянная составляющая в выпрямленном напряжении.

Из переменных составляющих во внимание принимается первая гармоника, так как она имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту.Эту гармонику назовём основной и обозначим через « U ог » ─ напряжениепульсаций на нагрузке. В схеме ОПВ гармоника пульсирует с частотой f п = f с .Как покажет дальнейший анализ, эту гармонику в схеме ОПВ предстоит отфильтровывать из напряжения на нагрузкеUог= 0,5U макс .Чтобы оценить качество преобразования переменного напряжения в постоянное, используется параметр ─ коэффициент пульсаций (К п ).Другими словами, коэффициент пульсаций характеризует степень приближения кривой выпрямленного напряжения к прямой линии.Оценить К п можно двумя методами4а) по отношению амплитудного значения напряжения первой гармоникик номинальному значению постоянной составляющей в выпрямленном напряжении (U 0 )UК = ог .п U0(2.1)Такой метод определения К п используется при измерении U ог с помощьюосциллографа.б) по отношению действующего значения напряжения пульсаций на нагрузке U п к номинальному значению постоянной составляющей U 0UК = п,п U0гдеUUобщ=п(2.2)= U 2 − U 02 ,общ(2.3)1 T2∫ 0 (U 2m sin ϖt ) dt = 0.5U 2m ,T1 T 2∫ Udt =T 0 выхСледовательно,U = 0,386 U 2 макс .п(2.4)Уровень постоянной составляющей (U 0 ) в выпрямленном напряженииопределяем из диаграммы (рис.2.3).S 1 =S 2S = 2π × U 0 – площадь прямоуголь1Uнника «abcd»eadS2S1 U0S = 2 ∫ π 2 U 2 max cosϖtdt = 2U 2 max –20btf 2πcРис.2.3.

Диаграмма для определения U 0площадь фигуры «def»2π × U 0 = 2U 2 max ,U =0U2 max = 0,318U. (2.5)2 maxπ5Площадь (S 1 ) прямоугольника «abcd», равная произведению основания(2π) на высоту (U 0 ), равна площади фигуры «def». Проделав необходимыепреобразования и приравняв обе площади, получили выражение для среднегозначения выпрямленного напряжения ─ уровень постоянной составляющей ввыпрямленном напряженииПодставим формулу (2.5) в формулу (2.1)К п =1,57 =157%. ─ определение через «U ог»Подставив формулу (13.4) и (13.5) в формулу 13.2К п =1,21 =121%. ─ определение через «U п»КПД выпрямителя оценивается отношением полезной (выходной) мощности постоянного тока к суммарной мощности на входе выпрямителяРη = вых =РвхI 2 Rн0I 22(r пр + R н)=0,406,rпр1+Rнгде:I 2 = 0,5 I max .

─ действующее значение тока во вторичной обмотке;I =0I 2 maxπ= 0,318 I 2 max . ─ постоянная составляющая тока в нагрузке.Анализ режима диода в схеме выпрямителя при активной нагрузкеВо вторичной обмотке трансформатора все элементы соединены последовательно, следовательно, токи, протекающие в цепи нагрузки и диода, одинаковы.Амплитудное значение тока через открытый диод ограничивается, в основном, сопротивлением нагрузочного резистора (R н ): сопротивления диода,обмотки трансформатора, подводящих проводников малы, поэтому при анализе их можно не учитывать. Схема замещения для проводящего состояниядиода принимает вид (рис.2.4).

Амплитудное значение тока через диод припринятых условиях будет равно6I vd .мак ≈U 2 макс.Rнrпр vd = 0+ UмаксRн >>> rпр vdРис.2.4.Схема замещения для проводящего состояния диодаДля анализа обратного напряжения, приложенного к диоду в промежутке времени, когда он не пропускает ток, воспользуемся схемой замещения(рис.2.5).Uмакс+Rн <<< rобрРис.2.5. Схема замещения для анализа непроводящего состояния диодаПри анализе обратного напряжения на диоде, когда он закрыт, можемпренебречь сопротивлением нагрузки, так как оно очень мало по сравнению ссопротивлением обратносмещённого p-n-перехода в диоде (нагрузка в схемедана пунктиром).Если допустить, что обратный ток равен нулю, то из схемы замещениявидно, что к диоду, когда он закрыт, прикладывается наибольшая разность по-7тенциаловU 2 макс─амплитудное значение напряжения вторичной обмоткитрансформатора.При проектировании выпрямительных устройств, после проведённых расчётов,по справочным данным выбирается диод.

Так вот эти два параметра ─ I vd.max иU обр , ─ являются самыми важными.U обр ≈U 2 maxВыводы по теме «ОПВ при активной нагрузке».1. По диаграмме U н = f(t) (рис.2.26) наблюдается явное преобладание переменной составляющей над постоянной, то есть коэффициент пульсаций больше единицы, частота пульсаций равна частоте сети, следовательно, схема ОПВ даёт оченьнизкое качество выпрямления.2. Уровень постоянной составляющей в выпрямленном напряжении очень низ-кий: для получения необходимой величины U о требуется в « π » раз большее напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора.

Следовательно, габариты трансформатора завышены.3. Во вторичной обмотке трансформатора за счёт постоянной составляющейтока имеет место подмагничивание, что увеличивает габаритную мощность трансформатора.4. КПД однополупериодного выпрямителя низкий (порядка 40,5%)2.2. Работа ОПВ на ёмкостный фильтрВыпрямленный сигнал схемой ОПВ с активной нагрузкой можно считать постоянным только в том отношении, что он не меняет полярности на выходе.

Этотсигнал не может быть использован как сигнал постоянного тока: в выходном сигнале большое количество пульсаций, которые необходимо сглаживать, чтобы получить постоянное напряжение.Для этого схемы выпрямительных устройств дополняют фильтрами низкихчастот.Простейшие фильтры нижних частот ─ это конденсаторы и индуктивности.Или, в случае применения сложных фильтров, их комбинации. Но, даже в случаеприменения сложного фильтра, характер нагрузки будет определять первый элементв его схеме.8Рассмотрим работу ОПВ с ёмкостным фильтром (рис.2.6.а).Назначение конденсатора в схеме выпрямителя ─ сглаживание пульсаций ввыпрямленном напряжении.Выбор конденсатора в схему выпрямителя ─ сопротивление конденсатора(Х с ) по переменной составляющей тока должно быть в 5…10 раз меньше сопротивления нагрузки: в этом случае большая часть переменной составляющей замкнётся по цепи «трансфоматор─диод─ конденсатор─ трансформатор».ТРU1VDIн+ (-)Iз +CфU2Iр+Rн– (+)а)UнUс= UмаксUсRн3Rн2UмаксU0Rн1t0t1t2 t3U2tt4 t5б)Рис.2.6.а ─ схема электрическая принципиальная ОПВ; б ─ диаграммы напряжений вузловых точках схемы ОПВ9Для постоянной составляющей тока (I 0 ) сопротивление конденсатораравно бесконечности, поэтому она замкнётся через нагрузку.Анализ работы выпрямителя начнём с момента времени t 0 (рис.2.6.б).В течение времени с t 0 по t 1 диод открыт, и конденсатор заряжается.Заряд происходит быстро (τ з ≈ 0, так как сопротивление зарядной цепи примерно равно 0).

В момент времени t 1 , когда потенциал анода диода станетравным потенциалу катода, диод закрывается, заряд конденсатора прекращается, но ток через нагрузку продолжает течь, так как конденсатор с момента t 1разряжается через неё. Обратите внимание на следующий факт ─ полярность напряжения на нагрузке при разряде конденсатора сохранилась, тоесть схема не потеряла выпрямительных свойств после запирания диода.Чем больше сопротивление нагрузки (R н3 ), тем медленнее разряжается конденсатор (τ р = R н С), и тем более постоянным будет напряжение на нагрузке(пунктиром на рис.13.6б показан разряд конденсатора фильтра при разныхзначениях сопротивления нагрузки ─ R н1 ; R н2 ; R н3 ).Разряд конденсатора прекращается в момент времени t 2 : положительный потенциал на катоде диода стал меньше потенциала анода. Диод отпирается, происходит подзарядка конденсатора до момента времени t 3, после чеговесь процесс повторяется.Из диаграммы (рис.2.6.б) видно, что уровень пульсаций в выпрямленномнапряжении равен ΔС при нагрузке R н3 (R н3 > R н1 > R н2 ).

Следовательно, уровень постоянной составляющей в выпрямленном напряжении из диаграммыопределится следующим выражениемU = U 2 макс −0∆U c.2(2.6)Из этого выражения следует, что чем меньше пульсация ∆ U c , тем вышеуровень постоянной составляющей U 0 на нагрузке и тем ближе его значениек U 2макс .Анализ режима диода в схеме выпрямителя при ёмкостной нагрузкеОцениваем режим диода в схеме выпрямителя по прямому максимальному току и по обратному напряжению. Так как сопротивление конденсатора10гораздо меньше сопротивления нагрузки, то считаем, что вся переменная составляющая тока замкнулась через конденсатор фильтра.