Лекции / ЛЕКЦИЯ17_09нк

По такому принципу выполняется система с однофазным мостовым выпрями-

телем. Вместе с тем имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор

является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупе-

риодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора.

Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора

здесь также определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрями-

теля.

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразова-

ния энергии источника переменного тока в постоянный ток.

Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потре-

бителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энер-

гии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой

50 Гц.

Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощ-

ных выпрямителях однофазного тока.

Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схе-

мы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u2(wt) однополярных по-

луволн напряжения на ud(wt) (рисунок 17.2).

Напряжение ud(wt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпря-

мителя. Ее постоянная составляющая Ud определяет среднее значение выпрям-

ленного напряжения.

Рисунок 17.2 – Временные диаграммы выпрямления

Как видно из рисунка 17.2, кривая выпрямленного напряжения помимо по-

стоянной составляющей содержит переменную(пульсирующую) составляю-

щую, которая определяется разностью напряжений ud(wt) – Ud.

Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев

является нежелательным.

Поэтому осуществляют ФИЛЬТРАЦИЮ выпрямленного напряжения пу-

тем подключения к выходу выпрямителя сглаживающихфильтров (рисунок

17.1).

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов–

дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот, – для постоянного тока.

Указанные свойства этих элементов используютпри построении простейших

сглаживающих фильтров:

сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конден-

сатор – параллельно ей.

Виды сглаживающих пассивных фильтров показаны на рисунке 17.3.

Рисунок 17.3 – Сглаживающие фильтры

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее на-

грузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер вход-

ной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам рисунка 17.3, кроме оди-

ночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающе-

го фильтра в виде ёмкости - активно-ёмкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор

напряжения (рисунок 17.1), обеспечивающий поддержание с необходимой точно-

стью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях измене-

ния напряжения питающей сети и тока нагрузки.

17.1 Однофазный мостовой выпрямитель

Схема выпрямителя дана на рисунке 17.4. Принцип действия выпрямителя

рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение ud при чисто активной нагрузке имеет вид однополяр-

ных полуволн напряжения u2 (рисунок 17.4, в). Это получается в результате по-

очередного отпирания диодов VD1, VD2 и VD3, VD4.

Рисунок 17.4 – Мостовой выпрямитель

Открытые диоды обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая на ней напряжениеud той же величины и полярности,

что и напряжение u2 (рисунок 17.4, в).

При наличии полуволны напряжения u1 отрицательной полярности, поляр-

ность напряжения u2 обратная.

Под ее воздействием открыты другие два диода, подключающие напряжение u2 к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рисунок

17.4, а, б).

Ввиду идентичности кривыхud для схемы мостового выпрямителя, рисунок

17.4, действительны нижеследующие соотношения между выпрямленным на-

пряжением Ud и действующим значением напряжения U2 и соотношения, харак-

Коэффициент пульсаций отражает отношение амплитуды n-й гармоники

пульсации к среднему значению напряжения Ud.

Его (q1) обычно определяют по амплитуде первой гармоники пульсации, как

наибольшей и трудно фильтруемой.

где m – эквивалентное число фаз выпрямления (для схемы m = 2 и q1 = 0,67).

Для схемы амплитуда первой гармоники пульсации составляет 67 % от Ud.

При работе выпрямителяна активно–ёмкостную нагрузку(ёмкостной фильтр), выходное напряжение сглажено и коэффициент пульсаций зависит от

постоянной времени фильтра: tФ = СФRH » (4¸20)/fСЕ,

где fСЕ – частота питающей сети.

При этом, в зависимости от тока в нагрузку, коэффициент пульсаций может не

превышать значения 0,02¸0,04.

Рассматривая коэффициент пульсаций как отношение амплитуды пульса-

ций к действующему значению напряженияна выходе ёмкостного фильтра, из-

вестно, что q = Um ПУ/UH = 1/(2pfПУtФ), или:

1

q = 2pf ПУ RH CФ .

При оценке параметров компонентов выпрямителя(диодов) нужно учиты-

вать, что ёмкость фильтра заряжается за короткое время импульсом токаIm ЗАР

» (3¸8)IH.

Поскольку ток Id = Ud/Rн (рисунок 17.4, г) распределяется поровну между

парами диодов, ток Ia каждого диода в рассматриваемой схеме также находят из соотношения: Ia = Id/2 .

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводя-

щим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Максимальное об-

ратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u2: uобр = (2)1/2U2 = (p/2)Ud . ()

Расчётные мощности обмоток одинаковы: S1 = S2 = 1,23Pd (Pd – мощность на диоде).

Таким образом, ПРЕИМУЩЕСТВАМИ МОСТОВОЙ СХЕМЫ выпрямите-

ля являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторич-

ную обмотку, И

меньшее обратное напряжение (при данном напряжении Ud), на которое сле-

дует выбирать диоды.

Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающий-

ся в большем числе диодов. Поэтому мостовая схема нашла преобладающее при-

менение в выпрямителях однофазного тока небольшой и средней мощности.

Анализ принципа действия и режимов работы маломощных выпрямителей однофазного тока проводился в предположении, что активные сопротивления обмоток трансформатора, подводящих проводов, сглаживающего дросселя, а также падения напряжения на диодах равны нулю. В связи с этим приведенные соотношения следует считать приближенными для реальных схем, поскольку вследствие падений напряжения на элементах от протекания токов реальное среднее значение вы-

прямленного напряжения Ud получается меньше и уменьшается с ростом тока нагрузкиId. Это явле-

ние отражает внешняя характеристика выпрямителя - зависимость Ud = F(Id).

17.2 Вторичные источники с преобразованием частоты сети

Уменьшить габариты трансформатора, который в том числе применяется

для электрической развязки, можно за счет увеличения частоты питающего

напряжения.

С этой целью применяется промежуточное преобразование частоты сети.

Структурная схема источника с преобразованием частоты изображена на рисун-

ке 17.5.

TpВ

Рисунок 17.5 – Структура источника питания с преобразованием частоты сети

Первый преобразователь Пр1 преобразует входное переменное напряжение

«сеть» в напряжение постоянного тока непосредственно (без трансформации).

Инвертор И преобразует постоянное напряжение с выхода Пр1 в высоко-

частотное (единицы – сотни килогерц), КОТОРОЕ

трансформируется высокочастотным трансформатором ТрВ.

Затем следует преобразование переменного напряжения в постоянноепре-

образователем Пр2 и его последующая стабилизация стабилизатором СТ.

Очень часто стабилизация выходного напряжения достигается путем воз-

действия на скважность генерируемых высокочастотных импульсов (пунктир) в

Пр2.

Габариты трансформатора уменьшаются почти пропорционально увели-

чению частоты, И

если низкочастотный трансформатор мог весить несколько килограмм, то

высокочастотный (десятки килогерц) – десятки грамм.

Для обеспечения высокого значения КПД инвертор выполняется на эле-

ментах, работающих в ключевых режимах, и представляет собой автогенератор прямоугольных импульсов.

Несмотря на существенное усложнение электронной части схемы, необхо-

димость экранирования во избежание воздействия на окружающие устройства им-

пульсных помех от инвертора,

источники с преобразованием практически вытеснили классические схемы

из современных электронных устройств. Но только тех, где не важна точность

преобразования информации или информационная безопасность.

17.3 Источники опорного напряжения и тока

Согласно государственного стандарта(ГОСТ 13607-68), опорный источник напряжения (тока, частоты) – это источник напряжения, предназначенный для калибровки опорным напряжением (током, частотой).

Примером могут быть нормальный элемент, генератор стабильной часто-

ты, и т. п.

17.3.1 Параметрические стабилизаторы напряжения

В ряде случаев к выходному напряжению маломощного выпрямителя, исполь-

зуемому в качестве напряжения питания для некоторого электронного устройства,

предъявляются требования в отношении его стабильности.

Ввиду зависимости напряжения Ud от тока нагрузки, а также от изменений напряжения u1 питающей сети, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения (см. рисунок 17.1).

Существует два типа стабилизаторов напря:

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ и КОМПЕНСАЦИОННЫЕ.

В первом типе стабилизаторов используется постоянство напряжения не-

которых видов приборов при изменении протекающего через них тока. Из полу-

проводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон.

Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулирова-

нии напряжения, подводимого к нагрузке.