Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
При переходе от режима холостого хода к режиму работы под
2 22 2
1 11 1
P U I cos
P U I cos
⋅⋅ ϕ
η= =
⋅⋅ ϕ
нагрузкой напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяется.
При чисто активном сопротивлении нагрузки с ростом тока I2 вторичное
напряжение будет уменьшаться. Это обусловлено ростом потерь энергии
на активном сопротивлении обмоток. Зависимость вторичного напряже-
ния U2 от тока нагрузки I2 называется внешней характеристикой транс-
форматора. В диапазоне токов I2 = 0…I2н (I2н – номинальное (паспортное)
действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора в нагру-
женном режиме) внешняя характеристика трансформатора практически
прямолинейна (рис. 4). Трансформаторы проектируются таким образом,
чтобы при номинальном токе нагрузки падение напряжения ΔUн не пре-
вышало 5–10 % от величины U
2хх
.
U2
U
2хх
Рис. 4. Внешняя характеристика трансформатора
ΔUн = (0,05–0,1)∙U
I2н I2
2хх
КПД трансформатора определяется отношением активной мощности
P2, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к активной мощности P1, по-
требляемой трансформатором от сети:
где U2, I2 – действующие напряжение и ток вторичной обмотки; φ2 – фазо-
вый сдвиг между напряжением и током во вторичной обмотке; U1, I1 –
действующие напряжение и ток первичной обмотки; φ1 – фазовый сдвиг
между напряжением и током в первичной обмотке.
, (5)
11
При работе трансформатора в нагруженном режиме с ростом тока I2
(
)
2
1н
P S / 1, 3=
увеличиваются потери энергии на активном сопротивлении обмоток,
вследствие чего мощности P1 и P2 изменяются непропорционально. В ре-
зультате КПД трансформатора зависит от тока вторичной обмотки (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость КПД от тока вторичной обмотки
Из рис. 5 видно, что маломощные силовые трансформаторы имеют
максимальный КПД при I2 = I2н, т. е. при работе с номинальным паспорт-
ным значением тока вторичной обмотки. Максимальный КПД реальных
маломощных силовых трансформаторов лежит в пределах 0,6–0,9.
Мощность трансформатора, потребляемая от первичной обмотки при
условии работы в нагруженном режиме с номинальным током вторичной
обмотки I2н, связана с геометрическими размерами и материалом его маг-
нитопровода. Для трансформаторов, выполненных из низкоуглеродистой
электротехнической стали, мощность (в ВА) оценивается по формуле [1]
, (6)
где S – площадь поперечного сечения магнитопровода, см2.
При такой мощности индукция в магнитопроводе трансформатора
не достигает значения насыщения и потери энергии в магнитопроводе
невелики. При токе вторичной обмотки I2 > 1,5∙I2н магнитопровод может
переходить в режим насыщения, что увеличивает тепловые потери и сни-
жает КПД трансформатора.
12
1.3. СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования
напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Структур-
ная схема выпрямителя приведена на рис. 6.
Выпрямитель в большинстве случаев состоит из трансформатора,
преобразующего переменное напряжение питающей сети в более высокое
или более низкое, системы вентилей (диодов), осуществляющей выпрям-
ление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающе-
го пульсации выпрямленного напряжения.
U
Uc
ТР
В
Ф
вых
Н
СУВ
Выпрямитель
Рис. 6. Структурная схема выпрямителя:
ТР – трансформатор; В – система вентилей; Ф – сглаживающий фильтр;
СУВ – система управления вентилями; Н – нагрузка; U
U
– выходное напряжение выпрямителя
вых
– напряжение сети;
с
Основным элементом выпрямителя является система вентилей,
остальные функциональные части схемы могут отсутствовать. В настоя-
щее время в качестве вентилей применяются кремниевые полупроводни-
ковые диоды или тиристоры. В последнем случае выходное напряжение
выпрямителя может регулироваться с помощью схемы управления венти-
лями, и такой выпрямитель является управляемым.
По роду преобразования электрической энергии все выпрямители мо-
гут быть разделены на две группы: однотактные и двухтактные. В одно-
тактных выпрямителях в течение периода сетевого напряжения ток проте-
кает по вторичной обмотке трансформатора только в одном направлении.
13
В двухтактных выпрямителях в течение периода сетевого напряжения ток
протекает по вторичной обмотке в обоих направлениях.
В зависимости от числа фаз (числа вторичных обмоток трансформа-
тора ТР (рис. 1)) выпрямители могут быть одно-, двух- и многофазными.
В сетевых источниках питания радиоэлектронной аппаратуры в основном
используются однофазные схемы.
Простейшей схемой выпрямления является однофазный однотактный
или однополупериодный выпрямитель (рис. 7). Он содержит трансформа-
тор Т, диод VD и конденсатор С (сглаживающий фильтр).
i1 i2
u1
Рис. 7. Схема однополупериодного выпрямителя
Т
V
D
u2
Временные диаграммы работы схемы без учёта влияния фильтрую-
щего конденсатора С приведены на рис. 8.
u2
uн
Um
U0
uVD
ic
С
iн
Rн
uн
t1 t2 0
iн
I0
t1 t2 0
Рис. 8. Временные диаграммы работы
однополупериодного выпрямителя без сглаживающего фильтра
14
t
t
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 является сину-
m
н
U 22
u 1 cos t cos 2 t cos 4 t
2 3 15
π
= ⋅ + ⋅ ω⋅ + ⋅ ⋅ω⋅ − ⋅ ⋅ω⋅ +
π
п 1m 0
KUU=
соидальным. В промежуток времени 0…t1 напряжение u2 принимает по-
ложительные значения, диод VD открывается и начинает пропускать ток
в нагрузку в направлении от анода к катоду. Поскольку Rн представляет
собой чисто активное сопротивление, то формы тока iн и напряжения uн
в данный промежуток времени будут синусоидальными и совпадающими
по фазе. Амплитуда напряжения на нагрузке Um (рис. 8) будет меньше ам-
плитуды напряжения u2 на величину прямого падения напряжения на от-
крытом диоде uVD, которая может составлять от 0,7 до 1,0 В.
В промежуток времени t1…t2 напряжение u2 становится отрицатель-
ным, диод закрывается, напряжение и ток в нагрузке становятся равными
нулю.
Разложение мгновенного значения выпрямленного напряжения uн в ряд
Фурье показывает, что выпрямленное напряжение содержит постоянную
составляющую и гармоники сетевой частоты [1]:
, (7)
где ω – циклическая частота выпрямленного напряжения, равная частоте
напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Для оценки качества выпрямленного напряжения вводится понятие
коэффициента пульсаций:
, (8)
где U1m = Um/2 – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряже-
ния, определяемые из ряда Фурье (7); U0 = Um/π – постоянная составляю-
щая выпрямленного напряжения.
Каждая схема выпрямления характеризуется определённым значени-
ем коэффициента пульсаций. Чем меньше это значение, тем большую ве-
личину имеет постоянная составляющая U0 по сравнению с амплитудами
15
гармоник. Следовательно, схема выпрямления, обладающая малым коэф-
фициентом пульсаций, обеспечивает лучшее качество выпрямленного
напряжения.
Однополупериодный выпрямитель имеет наибольшее значение ко-
эффициента пульсаций среди всех известных неуправляемых схем вы-
прямления. Из формулы (8) можно найти Кп = π/2 ≈ 1,57. Гармоники
в спектре выходного сигнала однополупериодного выпрямителя имеют
значительную амплитуду по сравнению с постоянной составляющей, что
усложняет их последующую фильтрацию.
Другим недостатком однополупериодного выпрямителя является то,
что через вторичную обмотку трансформатора и нагрузку протекает
несимметричный несинусоидальный ток i2 = iн, содержащий постоянную
составляющую I0 (рис. 8). Из-за этого ток первичной обмотки i1 также
имеет несимметричную форму и тоже содержит постоянную составляю-
щую. Постоянные составляющие токов обмоток вызывают подмагничива-
ние сердечника, приводящее к нарушению симметричного режима его ра-
боты, вследствие чего возрастают тепловые потери и снижается КПД
трансформатора.
Значительный коэффициент пульсаций и явление подмагничивания
сердечника ограничивают область применения однополупериодного вы-
прямителя в линейных источниках питания. На практике эта схема приме-
няется при небольших токах нагрузки (примерно до 100 мА).
Вместе с тем схемы однополупериодных выпрямителей широко ис-
пользуются при построении импульсных источников питания, поскольку
перечисленные выше недостатки не проявляются при их работе в составе
импульсных устройств.
Для подавления пульсаций выходного напряжения в схему выпрями-
теля вводится конденсатор С, выполняющий функцию сглаживающего
фильтра (рис. 7). Если сопротивление нагрузки Rн = ∞, то со временем
произойдёт заряд конденсатора, и выходное напряжение uн станет посто-
янным и равным Um (рис. 8).
16
Временные диаграммы работы схемы при Rн ≠ ∞ представлены на
2 Сн
iii= +
рис. 9. В промежуток времени t1…t2 напряжение на вторичной обмотке
трансформатора u2 принимает положительное значение, диод VD откры-
вается, и через вторичную обмотку начинает протекать ток:
. (9)
Часть этого тока (iС) расходуется на заряд конденсатора С, а другая
часть (iн) поддерживает напряжение на нагрузке uн. В процессе заряда
конденсатора напряжение на нагрузке возрастает от величины U
U
. В момент времени t2 напряжение на вторичной обмотке трансфор-
max
min
до
матора становится меньше, чем напряжение на нагрузке, диод VD закры-
вается, и начинается процесс разряда конденсатора через сопротивление
нагрузки в течение промежутка времени t2…t3. В это время напряжение
на нагрузке поддерживается только за счёт разряда конденсатора. В мо-
мент времени t3 напряжение u2 становится больше, чем uн, диод VD от-
крывается, и начинается новый цикл заряда конденсатора С.
Рис. 9. Временные диаграммы работы
однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром
17
Таким образом, выходное напряжение в схеме с фильтрующим конден-
п max min
U U –U=
max min
0
U U
U
2
+
=
нр
п
It
U
С
⋅
=
сатором представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, ампли-
туда пульсаций и постоянная составляющая которого определяются как
; (10)
. (11)
При допущении того, что процесс разряда конденсатора происходит
по линейному закону постоянным током Iн, амплитуду пульсаций можно
определить по формуле
, (12)
где tр – время разряда конденсатора, точное значение которого tр = t3 – t2;
С – ёмкость фильтрующего конденсатора.
Однако при практических расчётах выпрямителей предполагают, что
процесс разряда фильтрующего конденсатора длится много дольше, чем
процесс заряда, поэтому величина tр берётся равной периоду выпрямлен-
ного напряжения T (см. рис. 9). Из формулы (12) следует, что чем больше
ёмкость фильтрующего конденсатора, тем меньше пульсации выпрямлен-
ного напряжения при заданном токе нагрузки.
На рис. 9 для сравнения приведены графики, иллюстрирующие
напряжение на нагрузке u'н при отсутствии конденсатора и uн при его под-
ключении. Как видно из графика, амплитуда напряжения u'н превышает
величину uн. Уменьшение амплитуды выпрямленного напряжения в схеме
с фильтрующим конденсатором обусловлено тем, что амплитуда тока за-
ряда конденсатора iС (9) может в несколько раз превышать амплитуду тока
нагрузки iн, что вызывает значительное падение напряжения на вторичной
обмотке трансформатора. Поскольку величина тока iС прямо пропорцио-
нальна емкости конденсатора С, то при проектировании схемы выпрями-
теля конденсаторы с ёмкостью более 10–15 тыс. мкФ не применяются,
18
а выпрямительный диод VD (рис. 7) выбирается с максимально допусти-
мым прямым током I
пр.макс.
> iС + iн.
Схема двухтактного однофазного выпрямителя приведена на рис. 10.
В состав исследуемого в работе выпрямителя входят трансформатор Т, че-
тыре диода VD1–VD4 и конденсатор C. Поскольку диоды соединены по
мостовой схеме, то данный выпрямитель также называется мостовым.
Временные диаграммы работы схемы мостового выпрямителя при
отсутствии конденсатора С представлены на рис. 11.
Т
i1
u1
u2
i2
VD
3
VD1
ic
+
iн
U
x
ma
U0
I0
VD
4
Рис. 10. Схема мостового выпрямителя
u2
uн
t1 t2 0
iн
VD
2
2∙uVD
С
−
uн
Rн
t
t1 t2 0
i2
t
Рис. 11. Временные диаграммы работы схемы мостового выпрямителя
19
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 является сину-
соидальным. В промежуток времени 0…t1 это напряжение принимает по-
ложительное значение, диоды VD1 и VD4 оказываются включенными
в проводящем направлении. Ток вторичной обмотки i2 протекает по сле-
дующему пути: верхний вывод вторичной обмотки трансформатора – ди-
од VD1 – сопротивление нагрузки Rн – диод VD4 – нижний вывод вторич-
ной обмотки трансформатора.
В следующий промежуток времени t1…t2 напряжение u2 становится
отрицательным, и путь протекания тока i2 изменяется: нижний вывод вто-
ричной обмотки трансформатора – диод VD2 – Rн – диод VD3 – верхний
вывод вторичной обмотки трансформатора. Отсюда очевидно, что ток че-
рез нагрузку протекает в течение всего периода сетевого напряжения
в одном направлении, при этом полярность напряжения на нагрузке оста-
ётся неизменной (рис. 10).
Так как Rн представляет собой чисто активное сопротивление, то
формы тока и напряжения в нагрузке будут синусоидальными и совпада-
ющими по фазе. Амплитуда напряжения на нагрузке будет меньше ампли-
туды напряжения u2 на величину удвоенного прямого падения напряжения
на открытом диоде 2∙uVD.
В мостовом выпрямителе ток вторичной обмотки трансформатора i2
имеет синусоидальную форму, поэтому он не содержит постоянной со-
ставляющей как в схеме однополупериодного выпрямителя. Следователь-
но, нежелательное подмагничивание сердечника трансформатора будет
отсутствовать.
Выпрямленные напряжение и ток мостового выпрямителя представ-
ляют собой несинусоидальные периодические сигналы (рис. 11), имеющие
в своём составе как постоянные составляющие U0 и I0, так и гармоники се-
тевой частоты.
20