Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

сторных управляемых выпрямителей в качестве регулирующих элементов приводит к заметному повышению КПД вторичных источников питания, существенному уменьшению их габаритов и массы.

На рис. 4.9,а показана схема наиболее распространенного варианта однофазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя. Поскольку работа тиристора на емкостную нагрузку недопустима (из-за чрезмерного роста тока), то к выходу таких выпрямителей подключают LC-фильтр (см. дроссель Др с конденсатором Сф на рис. 4.9,a). При этом чтобы предотвратить образование мощных всплесков напряжения, которые индуцируются на дросселе при прерывании тока (когда запираются тиристоры), выход выпрямителя шунтируют диодом Д. Катоды тиристоров объединены и образуют общую точку для сигнала управления, поступающего на входы тиристоров.

Рис. 4.9. Схема однофазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя (а)

иэпюры выпрямленного напряжения при угле

зажигания α (б)

На рис. 4.9,б приведены эпюры выпрямленных напряжений на входе фильтра с углом зажигания α, при котором поочередно включаются тиристоры – при положительной полуволне напряжения вторичной обмотки Д1, а при отрицательной – Д2. Среднее значение выпрямленного напряжения на входе фильтра определяется соотношением

221

где Uост – остаточное напряжение на тиристоре (обычно Uост << U2т); пределы изменения угла зажигания 0 ≤ α ≤ π.

При использовании управляемого выпрямителя в регулируемых источниках питания необходимо обеспечить его работу на крутом участке характеристики U0 = F(α), что обеспечивается выбором начального угла зажигания тиристоров αmin. Для рассматри-

ваемой схемы αmin = 30°, а U0 U2m.

4.2.3. Выпрямители с преобразователем напряжения

Для питания электронной аппаратуры, особенно переносной, часто требуется получить более высокое напряжение постоянного тока с помощью низковольтных источников тоже постоянного тока, например, аккумуляторных или гальванических батарей с напряжением единицы вольт. Для этой цели используют преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователи напряжения предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное с тем, чтобы амплитуду последнего можно было повысить при помощи трансформатора. Полученное таким способом более высокое напряжение на вторичной обмотке трансформатора выпрямляется при помощи одной из схем, рассмотренных выше.

В качестве собственно преобразователя постоянного напряжения обычно используют релаксационный генератор, работающий в автоколебательном режиме. Выходное напряжение генератора в виде периодической последовательности импульсов подается на первичную обмотку трансформатора для получения более высокого напряжения на вторичной обмотке. При этом часто между генератором импульсов и трансформатором включают усилитель мощности, работающий в ключевом режиме (такой режим обеспечивает высокий КПД). В ряде случаев функции генератора и усилителя

222

совмещают, используя в качестве преобразователя мощный генератор с трансформаторной обратной связью регенеративного характера, представляющий собой разновидность блокинг-генератора.

4.3. Сглаживающие фильтры

Фильтры предназначены для сглаживания пульсирующей составляющей выпрямленного напряжения. Допустимый уровень пульсации определяется условиями эксплуатации и требованиями к питаемой РЭА.

Основным параметром фильтра является коэффициент сглаживания, определяемый соотношением

жений на входе и выходе фильтра соответственно; U0′п и U0п – амплитуды пульсирующих напряжений; U0′ и U0 – средние значе-

ния напряжений (со штрихом – на входе фильтра).

Для расчета параметров фильтра необходимо прежде всего определить амплитуду пульсации на выходе выпрямителя. Напряжение пульсации имеет сложную форму, поэтому целесообразно его разложить в ряд Фурье. При этом достаточно учесть только низшую гармонику пульсации, т.е. первую гармонику с частотой fп, равной или кратной (с коэффициентом пкр) частоте питающей сети fс. Такое упрощение основано на следующих фактах: во-первых, низшая гармоника пульсации имеет наибольшую амплитуду, практически определяющую величину пульсации, и, во-вторых, эта гармоника ослабляется фильтром в наименьшей мере, поскольку частота остальных гармоник выше, чем первой гармоники.

Для фильтров, вход которых шунтируется конденсатором, целесообразно имитировать пульсацию источником тока, амплитуда которого определяется интегральным соотношением для первой

223

гармоники ряда Фурье

– функция от угла отсечки ϑ, графики которой (рис. 4.10) обычно

круговая частота повторения пульсирующего импульса (с коэффи-

среднее значение тока на выходе фильтра, шунтированного нагруз-

кой Rн.ф = U0 .

I0

Рис. 4.10. График зависимости функции Н от параметра А при частоте сети fс = 50 Гц в двухтактном выпрямителе

224

Если фильтр имеет высокоомный вход (например, с индуктивной катушкой или резисторы на входе), то удобно представлять пульсацию источником напряжения, амплитуда которого определяется так же как и у импульса тока интегральной формулой

4.3.1. Пассивные фильтры

Методика проектирования фильтров различной структуры иллюстрируется ниже на конкретных примерах.

Простейший емкостный фильтр (рис. 4.11,а). В этом фильтре вход и выход совмещены, поэтому U0′ = U0; U0′п = U0п, а следовательно, qф = 1. Расчет такого фильтра сводится к вычислению емкости конденсатора Cф так, чтобы напряжение пульсации U0п не превышало допустимую величину.

Амплитуду напряжения пульсации (для низшей гармоники Iтп) можно определить на основании схемы замещения, которая показана на рис. 4.11,б. Как следует из этой схемы,

где Rн.ф – сопротивление нагрузки, шунтирующей выход фильтра. Емкость конденсатора фильтра при этом определяется выражением

Подставив в последнее соотношение амплитуду пульсации тока Imп, определяемую формулой (4.18), получим

225

на величину I0Rф. Обычно исходя из приемлемой величины U0′ определяют сопротивление резистора

а емкость конденсатора вычисляют так, чтобы пульсация не превышала допустимую величину.

Для получения расчетной формулы в данном случае используют схему замещения (рис. 4.11,г) с источником напряжения на входе. Из этой схемы следует, что амплитуда напряжения пульсации на выходе фильтра

Индуктивный фильтр (рис. 4.11,д). Такой фильтр применяется на выходе выпрямителей, в которых имеется опасность выхода из строя вентилей из-за превышения током допустимого уровня, как, например, в тиристорных выпрямителях.

Напряжение пульсации на выходе фильтра составляет

Для ограничения пульсации на уровне, лимитируемом заданным

227

Индуктивно-емкостный Г-образный фильтр (рис. 4.11,ж).

Даже при сравнительно высоком значении коэффициента пульсации в простейшем фильтре (см. рис. 4.11,д) индуктивность дросселя оказывается чрезмерно большой величины (единицы и десятки генри). Дополнив такой фильтр конденсатором, можно уменьшить индуктивность. Из схемы замещения (рис. 4.11,з) следует, что

Задаваясь емкостью конденсатора Сф, рассчитывают индуктивность дросселя по формуле

Если же задаются индуктивностью, то вычисляют емкость конденсатора

Индуктивно-емкостный П-образный фильтр (рис. 4.11,и).

Напряжение пульсации U0п определяют из схемы замещения (рис. 4.11,к), в которой входная пульсация имитируется источником тока Iтп, а не источником напряжения Umп, как это было в схеме заме-

228

щения аналогичного Г-образного фильтра (см. рис. 4.11,з). Это объясняется тем, что на входе П-образного фильтра действует конденсатор Cф1, препятствующий изменению напряжения (поэтому принудительно нельзя задавать изменение напряжения на этом конденсаторе посредством источника напряжения Uтп).

На основании схемы замещения (см. рис. 4.11,к) определяют амплитуду напряжения пульсации U0п на выходе фильтра

При заданных емкостях конденсаторов Сф1 и Сф2 индуктивность дросселя вычисляют по формуле

Если же задаются индуктивность Lф и емкость одного из конденсаторов, то на основании соотношения (4.20) вычисляют емкость другого конденсатора.

4.3.2. Активные фильтры

Активные фильтры строят на транзисторах с добавлением простейших емкостных фильтров.

На рис. 4.12 показаны транзисторные фильтры, в первом из которых используется повторитель напряжения, во втором – усилительный каскад.

229