10.1. Вторичные источники электропитания

Вторичные источники электропитания могут быть как источниками переменного тока, так и источниками постоянного тока. В прикладной электронике для питания различных устройств применяются источники постоянного тока. В зависимости от назначения и класса аппаратуры эти источники могут быть стабилизированными или нестабилизированными.

Для выпрямления переменного тока применяются электрические вентили, пропускающие ток в одном (или преимущественно в одном) направлении.

Устройства, служащие для выпрямления переменного (обычно синусоидального) тока называются выпрямителями. Эти устройства: могут быть однополупериодными, двухполупериодными со средней точкой и мостовыми. Основными элементами выпрямителей являются трансформатор, вентиль (вентили) и сглаживающий фильтр³¹.

На рис. 10.1 показана схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Напряжение U₁ через трансформатор Тр подаётся на вентиль D1. Ток J в нагрузке R1 течёт только при положительной полярности подводимого напряжения, то есть, при открытом состоянии вентиля. Конденсатор С1 во время положительных полуволн выпрямленного тока заряжается, а в паузах, соответствующих времени отрицательных полуволн разряжается в нагрузку. Пульсирующий ток сглаживается (усредняется). Конденсатор С1 вместе с внутренним сопротивлением трансформатора и прямым сопротивлением вентиля образуют фильтр низкой частоты. Поскольку прямое сопротивление вентиля мало, а внутреннее сопротивление трансформатора тоже невелико, необходимо применять в фильтре конденсатор достаточно большой ёмкости.

Рис. 10.1. Однополупериодный однофазный выпрямитель с конденсаторным фильтром.

На рис. 10.2 приведены диаграммы напряжений³² для однополупериодного выпрямителя. Напряжение на первичной обмотке трансформатора обозначено V(2), напряжение на вторичной обмотке трансформатора – V(1), а напряжение на нагрузке обозначено V(3).

В работе выпрямителей большое значение имеет внутреннее сопротивление сетевого трансформатора [7]. Это сопротивление R_i определяется параметрами вторичной обмотки трансформатора U₂, I₂, а также коэффициентом потерь K_п . Коэффициент потерь представляет собой отношение выходного напряжения холостого хода к номинальному напряжении.

К_П= U_ХХ/U_ном. (10.1)

Внутреннее сопротивление трансформатора определяется соотношением

. (10.2)

Используя номинальное сопротивление нагрузки R_н = U_ном/I_ном, получим из (10.2) выражение для внутреннего сопротивления трансформатора

R_i=R_НОМ(K_п-1). (10.3)

Если однополупериодный выпрямитель с конденсаторным фильтром работает в режиме холостого кода, то конденсатор в течение положительной полуволны питающего напряжения заряжается практически до амплитудного значения переменного напряжения

U_с = √2U_ХХЭФФ–U_D,

где U_D – прямое падение напряжения на открытом диоде. Обратное напряжение достигает максимума в тот момент времени, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет отрицательное значение (наименьшее абсолютное). Приближенно оно составляет 2√2U_ХХ2эфф.

Однополупериодные однофазные выпрямители применяют преимущественно в маломощных устройствах. Основными преимуществами таких выпрямителей являются простота и малое число вентилей, а недостатками являются большие пульсации выпрямленного напряжения и высокое обратное напряжение на вентилях в случае применения емкостного фильтра.

Рис. 10.2. Диаграммы напряжений в характерных точках выпрямителя.

В двухполупериодных выпрямителях применяют трансформаторы с отводом от середины вторичной обмотки. В этом случае применяют два вентиля и выпрямленный ток формируется из обеих полуволн синусоидального тока. Частота пульсаций в этом случае в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе, что облегчает фильтрацию (сглаживание).

Рис. 10.3. Двухполупериодный однофазный выпрямитель

На рис. 10.4 представлена диаграмма выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя. По горизонтальной оси на рис. 10.2 и рис. 10.4 отложено время в миллисекундах, а по вертикали напряжение в вольтах.

Рис. 10.4. Диаграмма выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя без фильтра.

Для упрощения трансформатора применяют выпрямители с четырьмя диодами. Диоды соединяются по схеме, называемой мостовой или просто диодным мостиком. В таком выпрямителе выходная обмотка трансформатора не имеет отвода от середины и имеет в два раза меньше витков по сравнении с двухдиодной схемой.

Рис. 10.5. Мостовая схема двухполупериодного однофазного выпрямителя

В мостовой схеме в течение всего времени заряда конденсатора диоды соединяют отрицательный вывод обмотки трансформатора с общей шиной питания, а положительный – с выходом выпрямителя, независимо от полярности напряжения на вторичной обмотке.

Следует отметить, что внутреннее сопротивление источника переменного тока R_i оказывает заметное влияние на величину пикового тока диода. Если источник переменного напряжения низкоомный, то следует предусмотреть включение последовательного с ним резистора, чтобы не превысить предельное значение импульсного тока выпрямительных диодов.

Вопросы для самоконтроля

61. Какие источники электропитания называются первичными?

62. Какие источники электропитания называются вторичными?

63. Какие схемы выпрямителей Вы знаете?

64. Из каких основных элементов состоит выпрямитель?

65. Нарисуйте схему однофазного однополупериодного выпрямителя.

66. Нарисуйте графики напряжений в характерных точках однополупериодного выпрямителя.

67. Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя. (Так называемый выпрямитель со средней точкой).

68. Нарисуйте диаграмму напряжений двухполупериодного выпрямителя.

69. Нарисуйте схему двухполупериодного мостового выпрямителя.