4.3. Структурный аспект. Принципы построения выпрямителей.

снизить выходное напряжения вторичного источника можно с помощью преобразователя уровня напряжения, который подсоединяют к сети через понижающий трансформатор см. (рис.4.1).

Последовательно с трансформатором включают устройство, которое преобразует переменное гармоническое напряжение в постоянное. Это устройство обычно называют выпрямителем, так как напряжение на его выходе уже не гармоническое, т.е. двуполярное, а пульсирующее однополярное (рис.4.1,б).

Для уменьшения зависимости выходного напряжения источника питания от отклонений напряжения сети от номинального значения (по ГОСТу это +10%, -15%) и от изменения тока нагрузки (от нуля до максимального расчётного значения), а также для уменьшения пульсаций последовательно с фильтром ставят стабилизатор напряжения.

В случае малой мощности (например, мобильный телефон) в качестве источника питания используют низковольтные аккумуляторы, которые в свою очередь периодически подзаряжают от выпрямителей. Ниже будем рассматривать первый случай.

4.4. Синтез структуры выпрямителя.

Как следует из вышеизложенного, преобразователь (выпрямитель) переменного напряжения в постоянное содержит трансформатор, нагрузку и выпрямляющий элемент. Соединив их согласно последовательному принципу построения с вторичной обмоткой трансформатора, получим схему преобразователя (рис.4.2) . В этой схеме нагрузка условно отображена резистором R_н, а выпрямляющий элемент – резистором, проводимость которого управляется напряжением (черта у стрелки отражает этот факт).

На выходе выпрямителя желаемое напряжение имеет вид, показанный на рис.4.2,б

Теперь перейдём к нахождению (синтезу) характеристики управляемого резистора R_у. Его проводимость должна изменяться так, чтобы на нагрузке напряжение было одной полярности, например, положительной. Поэтому через нагрузку должен протекать ток только в один полупериод напряжения u₂. Это будет возможно, если напряжение, управляющее проводимостью резистора R_у, сделает невозможным протекание тока через него в отрицательный полупериод u₂, т.е. сделает эту проводимость равной нулю.

в положительный полупериод u₂ управляющее напряжение увеличит проводимость резистора R_у до бесконечности (кривая 1, рис.4.3), т.е. фактически необходим электронный ключ, подключающий нагрузку к напряжению u₂, если его полярность соответствует, указанной на рисунке без скобок. При противоположной полярности ключ отключает нагрузку от напряжения u₂.

Рис.4.3

Рассмотрим возможные альтернативы управления проводимостью. Первый наиболее простой вариант управления проводимостью состоит в использовании в качестве управляющего сигнала напряжение, прикладываемое к управляемому резистору. В этом случае проводимость резистора R_у должна иметь нелинейную характеристику и желательно, чтобы неравенство выполнялось, если , где u_отп – напряжение, превышение которого приводит к отпиранию пути для протекания тока i_н через нагрузку.

Очевидно, для уменьшения потерь желательно, чтобы напряжение u_отп>0 было возможно меньше. Следовательно, это должен быть параметрический ключ, т.е. ключ, управляемый напряжением, приложенным к нему.

Конечно, реальные элементы могут только приближаться к такой модели управляемого элемента, но реально они могут быть достаточно близки к кусочно-линейной модели. На рис.4.3 приведены две желаемые характеристики управляемого элемента одна (1) идеальная, а другая (2) с учётом конечных значений проводимости ключа и u_отп>0.

В обеих характеристиках ток через ключ ограничивается внешними резисторами. Поэтому, как более реальную, будем в дальнейшем рассматривать характеристику 2. В динамическом режиме при протекании большого тока через ключ его динамическая проводимость будет равна

g_дн=ΔI/ΔU,

а при малом токе, т.е. на обратной ветви характеристики 2, при проводимость ключа, назовём её обратной g_обр, определяется аналогично c помощью приращений переменных.

Математическая модель рассмотренной кусочно-линейной характеристики ключа имеет вид

(4.1)

Токи и напряжения при большой g_дн и малой g_обр проводимостях ключа должны различаться более, чем в 10³ раз (мА и мкА, мВ и В) в результате эти проводимости будут различаться больше, чем в 10⁶ раз, а поэтому ключ будет достаточно хорошим по качеству. Если напряжение на нагрузке должно быть равно нескольким вольтам, то падением напряжения на g_дн чаще всего можно будет пренебречь.

Второй вариант управления проводимостью состоит в отпирании пути для тока i_н в зависимости от полярностиu u₂ и уровня напряжения на нагрузке. Однако нелинейность проводимости сохраняется, так как она всё равно должна иметь большую проводимость при отпирании пути для тока i_н и нулевую проводимость при отрицательной полуволне u₂. Но устройство управляемой проводимости будет более сложным из-за необходимости введения управляющего электрода, напряжение на который поступает с нагрузки. Поэтому этот вариант управления проводимостью применяется более редко, в мощных источниках питания. такой ключ уже не является, параметрическим, так как он управляется внешним напряжением, а, значит, должен содержать три вывода.

Недостатком рассмотренного преобразователя является использование только одной полуволны напряжения u₂, что приведёт к пульсирующему току i_н через нагрузку: в отрицательный полупериод ток i_н=0. только в исключительных случаях при очень больших мощностях электронные устройства могут работать при таком напряжении питания.

Разработаем способы построения выпрямителей лишённые этого недостатка. преобразователь должен работать так, чтобы неравенство для тока выполнялось в оба полупериода, но направление тока не менялось.

Ограничимся рассмотрением двух способов уменьшения указанного недостатка. Начнём с простейшего, основанного на использовании инерционных свойств элементов. В самом деле, если при открытом ключе ток через выпрямитель будет протекать не только через нагрузку, но одновременно будет, например, заряжать конденсатор, включенный параллельно нагрузке, то при не очень большом токе нагрузки, он может разряжаться через неё, когда ключевой элемент будет заперт.

Чтобы уменьшить пульсации, последовательно с выпрямителем ставят фильтр.

Параллельно выходу последнего подключают конденсаторы большой ёмкости для ещё большего уменьшения пульсаций и поддержания выходного напряжения стабилизатора неизменным при импульсной нагрузке, так как остальные элементы стабилизатора обладают инерционностью и не успевают среагировать на импульсные изменения тока малой длительности.

С этой целью необходимо подключить к трансформатору ещё одну такую же управляемую проводимость, которая будет пропускать через себя ток в нагрузку в другой, в рассматриваемом случае, отрицательный полупериод. Очевидно, что теперь последовательным принципом построения не удастся воспользоваться.

Поэтому применим параллельный принцип, в котором будут работать две ветви. Второй управляемый элемент невозможно включить параллельно первому, потому что тогда при любой полярности полуволны, всегда будет открыт путь для протекания тока i_н. На рис.4.2,а у выводов вторичной обмотки трансформатора указана полярность напряжения в два полупериода. В первый полупериод (полярность напряжения без скобок) ток в нагрузку пропускает первый ключ, а во второй полупериод его ток равен нулю, но на втором выводе обмотки трансформатора возникает положительное напряжение. Это напряжение через второй ключ может быть также подведено к нагрузке, т.е. будет использован параллельно-последовательный принцип построения. Однако возникает проблема организации пути для протекания тока i_н.

Здесь, как и ранее, задачу можно решить как минимум двумя способами; или за счёт усложнения трансформатора, или за счёт увеличения управляемых элементов. Выбор варианта осуществляют исходя из конкретных условий, накладываемых технологией и стоимостью элементов. Если используются навесные элементы при построении выпрямителя (при высоких напряжениях и больших мощностях подводимых к нагрузке), то могут быть использованы как первый, так и второй варианты в зависимости от стоимости, надёжности, массы, и габаритов элементов. Поэтому ниже изложены оба способа.

Рассмотрим параллельно-последовательный принцип построения (рис. 4.3,а), связанный с усложнением трансформатора. Из рисунка видно, что вторичная обмотка трансформатора состоит из двух секций, имеющих общий вывод, к которому и подсоединён второй вывод нагрузки. Чтобы обе полуволны напряжений создавали на нагрузке одинаковые амплитуды напряжения, необходимо иметь идентичные по числу витков и расположению на сердечнике трансформатора две обмотки, а также две управляемые проводимости, каждая из которых поочерёдно должна пропускать ток только в один полупериод сетевого напряжения,

Фактически управляемые проводимости будут работать как неплохие коммутаторы, подключающие на полпериода к нагрузке то одну обмотку, то другую. Следовательно, в каждый полупериод работает структура, каждая из которых может быть построена путем последовательного соединения.