30

Лекция 13. Источники вторичного электропитания

1. Введение.

2. Выпрямительные устройства.

3. Линейные стабилизаторы напряжения параметрического и компенсационного типа.

4. Стабилизаторы ключевого и релейного типа.

5. Теоретическое обобщение по теме.

1. Введение.

Все источники питания можно выделить в две группы ─ первичные и вторичные.

Примером источника первичного электропитания может быть аккумулятор или простейшая батарейка от фонаря: когда аккумулятор заряжается от источника, то происходит преобразование электрической энергии в химическую, а когда разряжается (через нагрузку) ─ химической в электрическую. То есть, происходит однократное преобразование энергии.

Источники вторичного электропитания отличаются от первичных тем, что в них происходит многократное преобразование энергии.

На рис.13.1. представлена структурная схема источника вторичного электропитания, на выходе которого, после многократного преобразования, к нагрузке подводится постоянное стабилизированное напряжение.

Рис.

Рис.13.1. Структурная схема источника вторичного электропитания

Трансформатор преобразует переменное напряжение в переменное, но одной величины в другую (понижает или повышает)

Вентильный комплект преобразует переменное напряжение в постоянное (параметры и характеристики полупроводниковых диодов подробно даны в разделе 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 нагрузку

Выпрямительный элемент в схеме выпрямителя включается между источником переменного напряжения и нагрузкой.

В разделе 1 «Элементная база электроники», в лекции 1 было достаточно уделено внимания большой группе полупроводниковых диодов ─ выпрямительным диодам. Поэтому, прежде, чем рассматривать применение выпрямительных диодов в конкретных схемах, давайте вспомним основное правило для отпирания и запирания диода ─ отпирание диода возможно при условии, если потенциал анода будет больше потенциала катода.

В схеме (рис.13.2а) ОПВ диод отпирается и пропускает ток при действии на него положительной полуволны питающего напряжения, а запирается при действии 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 помощью преобразования Фурье

а)

б)

Рис.13.2. Однополупериодный выпрямитель: а ─ схема ОПВ; б ─ диаграммы напряжений в узловых точках схемы

Для 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 « » ─ напряжение пульсаций на нагрузке. В схеме ОПВ гармоника пульсирует с частотой f_п = f_с. Как покажет анализ, эту гармонику в схеме ОПВ предстоит отфильтровывать из напряжения на нагрузке

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 методами

а) по отношению амплитудного значения напряжения первой гармоники к номинальному значению постоянной составляющей в выпрямленном напряжении (U₀)

(13.1)

Такой метод определения К_п используется при измерении U_ог с помощью осциллографа.

б) по отношению действующего значения напряжения пульсаций на нагрузке U_п к номинальному значению постоянной составляющей U₀

(13.2)

где (13.3)

Следовательно,

(13.4)

Уровень постоянной составляющей (U₀) в выпрямленном напряжении определяем из диаграммы (рис.13.3)

Рис.13.3. Диаграмма для определения U0

S1=S2 – площадь прямоугольника «abcd» – площадь фигуры «def» = (13.5)

Площадь (S₁) прямоугольника «abcd», равная произведению основания (2π) на высоту (U₀), равна площади фигуры «def». Проделав необходимые преобразования и приравняв обе площади, получили выражение для среднего значения выпрямленного напряжения ─ уровень постоянной составляющей в выпрямленном напряжении (U₀).

Подставим формулу (13.5) в формулу (13.1)

К_п =1,57 =157%. ─ определение через «U_ог»

Подставив формулу (13.4) и (13.5) в формулу 13.2

К_п =1,21 =121%. ─ определение через «U_п»

КПД выпрямителя оценивается отношением полезной (выходной) мощности постоянного тока к суммарной мощности на входе выпрямителя

где:

─ действующее значение тока во вторичной обмотке;

─ постоянная составляющая тока в нагрузке.

Анализ режима диода в схеме выпрямителя при активной нагрузке

Во 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 состояния диода принимает вид (рис.13.4) Амплитудное значение тока через диод при принятых условиях будет равно

Рис.13.4.Схема замещения для проводящего состояния диода

Для анализа обратного напряжения, приложенного к диоду в промежутке времени, когда он не пропускает ток, воспользуемся схемой замещения (рис.13.5)

Рис.13.5. Схема замещения для анализа непроводящего состояния диода

При анализе обратного напряжения на диоде, когда он закрыт, можем пренебречь сопротивлением нагрузки (показано пунктиром), так как оно очень мало по сравнению с сопротивлением обратносмещённого p-n-перехода в диоде (нагрузка в схеме показана пунктиром).

Если допустить, что обратный ток равен нулю, то из схемы замещения видно, что к диоду, когда он закрыт, прикладывается наибольшая разность потенциалов ─ амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

При проектировании выпрямительных устройств, после проведённых расчётов, по справочным данным выбирается диод, и эти два параметра ─ I_vd.max и U_обр, ─ являются самыми важными.

Выводы по теме «ОПВ при активной нагрузке».

1. По диаграмме U_н = f(t) (рис.13.2б) наблюдается явное преобладание переменной составляющей над постоянной, то есть коэффициент пульсаций больше единицы, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети(габариты фильтра будут большими), следовательно, схема ОПВ даёт очень низкое качество выпрямления.

2. Уровень постоянной составляющей в выпрямленном напряжении очень низкий: для получения необходимой величины U_о требуется в « » раз большее напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Следовательно, габариты трансформатора завышены.

3. Во вторичной обмотке трансформатора за счёт постоянной составляющей тока имеет место подмагничивание, что увеличивает габаритную мощность трансформатора.

4. КПД однополупериодного выпрямителя низкий (порядка 40,5%)