7.3. Функциональные элементы вторичных источников электропитания

7.3.1. Преобразователи переменного напряжения

Практические схемы преобразователя представляют сочетание выпрямителя и фильтра. Простейший вариант однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром приведен на рис. 7.3а и на рис. 7.3б - диаграммы токов и напряжений в установившемся режиме.

Диод VD находится под разностью потенциалов входного U_ и выходного U₌ напряжений.

а) б)

Рис. 7.3. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром:

а) функциональная схема; б) временные диаграммы

Диод открывается, когда входное положительное напряжение превышает положительное напряжение на конденсаторе U_c’, и закрывается, когда это напряжение превысит входное напряжение. Постоянная составляющая тока диода и создает на нагрузке постоянное напряжение U₌=i₁₌ R_н, а переменная составляющая тока диода замыкается через конденсатор, обусловливая пульсации напряжения U_ .

Обеспечение приемлемо малого уровня пульсации достигается выбором конденсатора фильтра достаточно большой емкости.

Рис. 7.4. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Рассмотренный выпрямитель обладает существенным недостатком - постоянная составляющая тока диода в случае питания выпрямителя от трансформатора приводит к постоянному подмагничиванию последнего, ухудшая магнитные свойства сердечника.

Поэтому на практике находят применение в основном двухполупериодные выпрямители, в которых эффект намагничивания практически отсутствует (рис. 7.4).

Рис. 7.5. Диаграммы входного тока и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя

При положительной полярности входного напряжения в проводящем состоянии оказываются зачерненные диоды, при отрицательной полярности проводит другая пара диодов. При этом ток i₁ меняет направление на противоположное, а через нагрузку ток направления не меняет (рис. 7.5).

Из рис. 7.5 следует, что при полной симметрии диодных плеч постоянная составляющая во входном токе i₁ отсутствует. Частота пульсаций выходного напряжения в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе. Это позволяет или снизить уровень пульсаций при неизменной емкости фильтра, или уменьшить емкость при неизменном уровне пульсаций.

Недостатком мостовой схемы является увеличение потери мощности за счет последовательного включения в цепь двух диодов. При токе нагрузки в несколько десятков ампер указанные потери могут стать неприемлемыми. В этом случае можно использовать двухполупериодную схему на основе трансформатора со средней точкой (рис. 7.6), что и является, в свою очередь, главным неудобством этой схемы.

В выпрямителях с низким значением выходного напряжения падение напряжения на открытом кремниевом диоде может стать соизмеримым с выходным напряжением. Для повышения КПД таких устройств в качестве выпрямительных используются диоды Шоттки, обладающие существенно меньшим падением напряжения.

Рис. 7.6. Двухполупериодный выпрямитель на трансформа- торе со средней точкой

В общем, схемотехника выпрямителей достаточно разнообразна: одно- и многофазные, с умножением выпрямленного напряжения, с LC-фильтрами и т.д. Строгий анализ даже простейшего выпрямителя сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения и в настоящее время проводится методом компьютерного моделирования.