Структурная схема маломощного источника питания

В

+

+

+

ыпрямитель

Задачу преобразования переменного тока в постоянный решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока.

Основой системы является выпрямитель на одном или нескольких диодах, соединённых по определённой схеме.

Т

U₁

рансформатор требуется для повышения или понижения вторичного напряженияU₂при заданном первичномU_1. Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрямителя.

Ud(wt)

U_d

U₂

U_d

-

-

-

Ud

~U₁

220 В

50 Гц

Udн

Udф

~U₂

Т

Диодн

схема

Сглаж

Ф

Ст-р

И

Нагр

wt

wt

wt

Принцип выпрямления основывается на получении а помощью диодной схемы из двуполярной Sinкривой напряженияU₂(wt) однополярных полуволн напряженияUd(wt).

- характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя.

Ud– постоянная составляющаяUd(wt), определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Ud(wt)Ud– переменная (пульсирующая) составляющая. Наличие переменной составляющей является нерентабельным => осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путём подключения сглаживающих фильтров.

Стабилизатор напряжения включают для поддержания с необходимой мощностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузке.

ИВП характеризуется рядом электрических параметров:

1) номинальные уровни входного и выходного напряжений: Uвх. ном. =Uвых. ном. В зависимости от формы эти напряжения являются либо действующими (Uном =U), либо постоянными (Uном =Uср.)

2) Предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений – коэффициенты нестабильности напряжения.

(U мах – U ном)

бU` =Uном *100

(U мin – U ном)

бU` =Uном *100

При определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменении тока нагрузки и напряжения питания:

Δ Uвых ( Iн)

бUвых (Iн ) =Uвых ном *100

Δ Uвых ( Uвх )

бUвых (Uвх ) =Uвых ном *100,

г

абсолютные изменения выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки Uвходного напряжения.

де,бUвых (Iн )

бUвых (Uвх )

Иногда величину бUвых (Uвх ) задают коэффициентом стабилизации по напряжению:

Δ Uвх / U вх ном______

К ист = Δ Uвых (Uвх ) /Uвых. ном.

Если ИВП предназначен для получения на выходе стабильного тока или мощности, то перечисленные параметры определяются относительно этих величин.

3) Диапазон изменения выходной мощности:

Pнmax–Pнmin

4) Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного и выходного напряжений

Задаётся в виде коэффициента пульсаций:

U mi___

Е = Uном

Где Umi– амплитуда основной гармоники пульсирующего напряжения.

5) Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задаётся коэффициентом сглаживания:

Е вх___

q= Е вых

К ИВП также могут предъявляться дополнительные требования, определяющие как его электрические, так и конструктивно – технологические параметры.

Однофазные выпрямители.

План лекции:

1. Однополупериодный выпрямитель:

- Принципиальная схема, принцип работы на время диаграмм.

- Определение токов и напряжения на стороне нагрузки и для вентиля.

- Спектральный состав и коэффициент пульсаций.

- Преимущества, недостатки, применение схемы.

- Напряжение на выходе реально выпрямляется.

2. Двухполупериодный выпрямитель с нулем:

- Принципиальная схема, принцип работы на временных диаграммах.

- Расчет схемы выпрямления: Ud, U₂, n, Ud_nm, fn(1), I_VD, U_{VD MAX}, I₂, I_2m, I₁, S₁, S₂, S_T.

- Недостатки схемы.

3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель:

- Принципиальная схема, принцип работы на временных диаграммах.

- Расчет выпрямителя: Ud, U₂, e, I_VD, U_{VD MAX}, I₂, I₁, U₁, S_T.

- Преимущества схемы.

Однофазный однополупериодный выпрямитель.

u₁, i₁ – первичное напряжение и первичный ток.

u₂, i₂ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора и вторичный ток.

i_VD – ток, протекающий через диод.

u_VD – напряжение на диоде.

u_{VD MAX} – обратное напряжение на диоде.

u_d, i_d – напряжение и ток на нагрузке.

Предположим, что

0<t<T/2: диод смещен в прямом направлении, напряжение и ток в нагрузке повторяют форму входного сигнала.

T/2<t<T: диод смещен в обратном направлении, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. К диоду приложено обратное напряжение.

Вентиль (диод) выбирается по среднему току, для трансформатора важно действующее значение, для нагрузки – среднее значение тока и напряжение.

Расчет схемы производится в несколько этапов:

1. Определение токов и напряжений на стороне нагрузки:

• Среднее значение идеального выпрямленного напряжения:

u_2m – амплитуда входного напряжения

Так как (связывает амплитудное и действующее значение напряжения), тогда

u₂ – действующее значение u_вх

• Амплитуда выпрямленного напряжения

• Среднее значение выпрямленного тока

I_m – амплитуда выпрямленного тока

• Амплитуда выпрямленного тока

2. Определение токов и напряжений для вентиля:

• Среднее значение тока I_VD=I_d0

• Амплитудное значение тока I_VDMAX=I_dmax

• Действующее значение тока i_VD=0.5I_m

• Максимальное обратное напряжение на вентиле u_VDMAX=u_2m

Спектральный состав выпрямленного напряжения:

где

постоянная составляющая выпрямленного напряжения

первая (основная) гармоника выходного напряжения

вторая гармоника и т.д.

Коэффициент пульсации равен отношению амплитуды основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения

Преимущества схемы – простота

Недостатки схемы – низкое качество выпрямленного напряжения и неэффективное использование вентиля и трансформатора.

Применение – для выпрямителей очень малой мощности, у которых выпрямленный ток мал и сглаживание пульсаций м/б обеспечено при помощи простейшего фильтра.

В реальном выпрямителе необходимо учитывать неидеальности вентиля и активное сопротивление обмоток трансформатора:

Напряжение на выходе реального выпрямителя

u_d0 - среднее значение идеального выпрямленного напряжения

u₀ – пороговое напряжение вентиля

I_d – ток на нагрузке

r_д – дифференциальное сопротивление вентиля

r_a – активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне

r_a = r₁`+r₂

r₁`и r₂ – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Имеют общую точку.

Если ток нагрузки будет протекать в оба полупериода действия входного напряжения, то параметры выходного напряжения будут существенно лучше.

0<t<T/2: под действием u_вх` диод VD1 смещен в прямом направлении Þ ток нагрузки определяется u<sub>вх</sub>`.

Диод VD2 смещен в обратном направлении и к нему прикладывается u_d+u``_вх Þ максимальное обратное напряжение запертого диода u_{VD max}=2u_m

T/2<t<T: диод VD1 смещен в обратном направлении, ток нагрузки под действием u``_вх протекает через прямосмещенный диод VD2.

При расчете схемы исходными данными являются:

1. среднее значение выходного напряженияu_d или тока i_d и сопротивление нагрузки

2. действующее значение напряжения питающей сети u₁(220,380 В и т.д.)

Расчет схемы выпрямления:

1. среднее значение выпрямленного напряжения

2. так как u_d является заданной Þ вторичное напряжение

3. коэффициент трансформации трансформатора

Выпрямленное напряжение пульсирует. Его мгновенные значения в течении полупериода изменяются от максимального значения = до нуля.

Среднее напряжение u_d помимо постоянной составляющей содержит и переменную. Разложение в ряд Фурье кривой u_d позволяет определить амплитуду высших гармоник:

где

n=1,2,3 … - номера гармонических?

m – эквивалентное число фаз выпрямления

4. m =2 . Коэффициент пульсации:

Коэффициент пульсации по первой гармонике:

т.е. амплитуда первой гармонической для данной схемы составляет 67% u_d.

1. Частота первой гармоники пульсации

2. Средний ток через каждый диод

i_VD протекает через диоды поочередно

3. При открытом диоде VD1 ток нагрузки определяется u_вх`, диод VD2 смещен в обратном направлении и к нему прикладывается напряжение u_d+u``_вх Þ максимальное обратное напряжение запертого диода

4. Так как ток вторичной обмотки определяется током соответствующего диода, расчет I₂ проводят по кривой i_VD1 или i_VD2

5. Амплитуда тока во вторичной обмотке

6. Ток первичной обмотки трансформатора

n – коэффициент трансформации

7. Расчетные мощности обмоток трансформатора находят через действующие значения токов и напряжения обмоток:

Типовая мощность

Основные недостатки:

1. Необходимость двух источников входного напряжения

2. Высокое значение напряжения, прикладываемого к диодам при их обратном смещении u_{VD обр}=2u_m

Вывод “а” нагрузки постоянно подключен к средней точке источников напряжения u_вх` и u_вх``.

Вывод “в” – между диодами VD1 и VD2 переключается от вывода источника u_вх` к выводу источника u_вх``.

Если вывод “а” нагрузки при помощи второй диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым выводам источников u_вх` и u_вх``, необходимость в средней точке входного источника отпадет и u_d и I_d увеличатся в 2 раза Þ схема мостового двухполупериодного выпрямителя.

Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель.

Поочередно отпираются диоды VD1-VD2 и VD3-VD4.

0<t<T/2: диоды VD1-VD2 открыты при полуволне u₂ положительной полярности. Диоды VD1-VD2 обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая в ней напряжение u_d той же величины и полярности, что и напряжение u₂.

T/2<t<T: под воздействием отрицательной полуволны u₂ открыты диоды VD3-VD4, которые подключают напряжение u₂ к нагрузке с той же полярностью, что и на интервале 0<t<T/2.

Так как кривые u_d для выпрямителей мостового и с выводами нулевой точки трансформатора идентичны, тогда:

u_d = 0.9u₂

u₂ = 1.11u_d

e = 0.67

Токраспределяется поровну между парами диодов, токI_VD каждого диода:

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов:

т.е. вдвое меньше, чем в схеме с нулевым выводом.

Ток вторичной обмотки:

Ток первичной обмотки:

Напряжение первичной обмотки:

Типовая мощность:

Преимущества мостовой схемы:

1. более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку.

2. меньшее обратное напряжение, на котором следует выбирать диоды.

Недостаток: большое количество диодов.

Особенности работы и расчета выпрямителей с различными типами фильтров.

1. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

Работа при активно-индуктивной нагрузке рассматривается на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулем.

Диод VD1 открыт на интервале 0…Т/2, Т…3Т/2, VD2 – на интервале Т/2…Т, 3Т/2…2Т.

1. кривая u_d образуется напряжением u₂ и имеет тот же вид, что и при чисто активной нагрузке.

2. вследствие влияния индуктивности ток i_d получается сглаженным: ток i_d не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения u_d.

3. так как ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимумы тока i_d следуют с некоторой задержкой во времени относительно максимумов напряжения u_d.

4. форма кривых тока и напряжения в нагрузке Rн одинакова Þ кривая напряжения u_dн имеет тот же вид, что и кривая i_d.

5. если активное сопротивление обмотки дросселя принять равным нулю, тогда:

6. при увеличении значения индуктивности ее сглаживающее действие повышается и пульсации в кривой u_dн уменьшаются. Если L®¥, то переменная составляющая напряжения u_d будет полностью приложена к дросселю L Þ на нагрузке будет действовать только постоянная составляющая u_d.

7. изменение формы кривой i_d приводит к изменениям вида кривых i_VD1, i_VD2, i₁.Форма токов i_VD1и i_VD2 близка к прямоугольной.

Амплитуда

Среднее значение

Отличие от прямоугольной формы становится менее заметным с увеличением L. Кривая тока i₁ приближается к двуполярной кривой прямоугольной формы с амплитудой .

Действующие значения:

8. изменяется и отношения для мощностей:

9. кривая обратного напряжения на диоде такая же, как и при чисто активной нагрузке:

2. Работа выпрямителя при активно-емкостной нагрузке.

Поведение схемы обусловлено процессами зарядки и разрядки конденсатора, характеризуется импульсным режимом работы.

Для отпирания VD1 и VD2 необходимо, чтобы напряжения u_вх` и u_вх`` превысили напряжения на конденсаторе С, определяющее потенциал катодов диодов VD1 и VD2 и входное напряжение u_d.

Интервал 0-t₁: u_вх`>0, u_вх`` <0, напряжение на конденсаторе , оба диода закрыты.

VD2 заперт, так как u_вх`` <0 и прикладывается обратное напряжение

= u_вх`` +u_d.

VD1 заперт, так как напряжение его катода (u_d) превышает напряжение анода (u_вх`).

Rн и С отделены от вторичных обмоток трансформатора запертыми диодами.

Питание нагрузки производится от конденсатора, заряжающегося на нее с .

К моменту времени t₁ u_вх` увеличивается, стремясь к напряжению на конденсаторе, что приводит к уменьшению обратного напряжения на VD1.

t=t₁: u_вх`=u<sub>d</sub>, VD1 открывается, подключая С и Rн к u<sub>вх</sub>`.

Интервал t₁-t₂: соответствует этапу заряда конденсатора под действием u_вх`.

Напряжение на конденсаторе u Þ u_d оказывается несколько меньше u_вх`, т.к. в цепи заряда падает напряжение от протекания зарядного тока (падение напряжения на активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток трансформатора и соединительных проводов + падение напряжения на диоде).

Зарядный ток конденсатора, ток вторичной обмотки трансформатора и ток диода имеют вид импульсов с амплитудой I_VDm.

С учетом коэффициента трансформации n такую же форму имеет первичный ток i₁.

t=t₂: заканчивается процесс заряда конденсатора, u_c= u_вх`

Интервал t₂-t₃: VD1 и VD2 заперты, разряд конденсатора на нагрузку с

t=t₃: u_вх``=u_d Þ VD2 открывается.

Интервал t₃-t₄: VD2 пропускает импульс зарядного тока i_VD2 конденсатора.

Наличие конденсатора делает кривую u_d более сглаженной, коэффициент пульсаций выходного напряжения не превышает 0,02¸0,04:

Ток нагрузки также достаточно хорошо сглажен, т.к. .

При активной и активно-индукивной нагрузке u_d = 0.9u₂, при наличии конденсатора u_d близко к амплитудному значению u_2m = 1.41u₂ в режиме х.х.

Амплитудное значение тока диодов = (3¸8)I_d.

Так как обратное напряжение на диоде определяется напряжениями u_вх и u_d, то введение конденсатора приводит к расширению интервала действия обратного напряжения на диодах, но .

С-фильтр целесообразно использовать при мощности нагрузки не более нескольких десятков ватт.