1. Структурная схема блока питания, назначение и описание её элементов. Однополупериодный выпрямитель: основные характеристики, достоинства и недостатки.

Источники питания (ИП) являются неотъемлемой частью любых устройств промышленной электроники. Как правило, это устройства, преобразующие напряжение питания сети переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока. Типовая структурная схема источника питания представлена на рисунке. В ней используются следующие обозначения:

~ сеть – сетевое напряжение частотой 50 Гц и номинальным напряжением 220 В, следует отметить, что частота может находиться в пределах Гц, а напряжение В ( );

СТ– силовой трансформатор, служащий целям масштабирования переменного напряжения и гальванического разделения первичной обмотки от вторичных. Последнее условие обусловлено требованиями техники безопасности;

В – выпрямитель – устройство, преобразующее переменное напряжение вторичных обмоток силового трансформатора в однополярное выходное напряжение. Выпрямители выполняются с использованием свойств нелинейности полупроводниковых диодов;

СФ – сглаживающий фильтр – устройство, позволяющее получить напряжение с уменьшенным уровнем пульсаций;

СПН – стабилизатор постоянного напряжения – устройство, позволяющее получать на выходе стабильное напряжение независимо от изменения напряжения на его входе и изменения нагрузки на его выходе.

Рис.1. Структурная схема источника питания

Выпрямитель – это устройство, позволяющее получать однополярное выходное напряжение при двухполярном входном.

Основные схемы выпрямителей можно разделить на однополупериодные и двухполупериодные. Входы выпрямителей подключаются ко вторичным обмоткам силового трансформатора, а выходы, как правило, к сглаживающему фильтру. На рис.1 представлена схема однополупериодного выпрямителя с использованием диода VD и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис.1. Схема однополупериодного выпрямителя – а), временные диаграммы его работы – б)

Напряжение – это напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора в интервалы времени, когда верхний зажим вторичной обмотки силового трансформатора более положителен, чем нижний . В дальнейшем будем говорить, что на вторичной обмотке положительная полуволна. Когда диод VD находится в прямосмещенном состоянии, его проводимость высока, а сопротивление мало, и практически все напряжение подается в сопротивление нагрузки (рис.1б), при этом по нему протекает ток . Пренебрегая потерями напряжения на омическом сопротивлении вторичной обмотки трансформатора и падением напряжения на диоде, можно считать, что все напряжение прикладывается к сопротивлению нагрузки .

Когда напряжение имеет отрицательную полуволну (напряжение на верхнем зажиме вторичной обмотки более отрицательное по отношению к нижнему), диод VD переходит в состояние с низкой проводимостью, что эквивалентно разрыву цепи. Таким образом, в интервале времени (см. рис.1б) напряжение на нагрузке нулевое.

С качественной точки зрения всегда интересует вопрос о среднем напряжении на нагрузке и о среднеквадратичном напряжении на нагрузке .

, .

Полагая напряжение сети синусоидальным, найдем и для напряжения, выделяемого на сопротивлении нагрузки в случае однополупериодного напряжения. Пусть в интервале времени , а в интервале , тогда

,

откуда .

Из выражения для среднего напряжения видно, что среднее напряжение, а значит и средний ток в нагрузке, составляет . Поскольку ток в нагрузке протекает только в одном направлении, то и ток во вторичной обмотке силового трансформатора также протекает в одном направлении, т. е. через трансформатор протекает постоянный ток. Это является основным недостатком данного выпрямителя и ограничивает его использование только для маломощных схем (иначе трансформатор может быть замагничен). Другим недостатком является значительный уровень пульсаций выходного напряжения. К достоинствам следует отнести простоту.

2. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, описание его работы, основные характеристики, достоинства и недостатки. Мостовая схема выпрямления, описание её работы, основные характеристики, достоинства и недостатки. Сглаживающий фильтр, основные количественные соотношения, расчёт емкости фильтра.

Выпрямитель – это устройство, позволяющее получать однополярное выходное напряжение при двухполярном входном. Основные схемы выпрямителей можно разделить на однополупериодные и двухполупериодные. Входы выпрямителей подключаются ко вторичным обмоткам силового трансформатора, а выходы, как правило, к сглаживающему фильтру. Схема выпрямителя со средней точкой и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 1.

Рис.1. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой – а), временные диаграммы его работы – б)

Данный выпрямитель отличается от однополупериодного тем, что требует наличия двух идентичных обмоток силового трансформатора. Обмотки включены таким образом, что когда на верхнем выводе обмотки положительная полуволна, на нижнем выводе обмотки – отрицательная (относительно общего вывода обмоток). Кроме этого, в выпрямителе используется дополнительный диод VD2. В результате схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих через половину периода на общее сопротивление нагрузки. Схема выпрямителя со средней точкой отличается от схемы однополупериодного выпрямителя тем, что через силовой трансформатор не протекает постоянный ток. Однако за это приходится платить дополнительной обмоткой и дополнительным диодом. Средний ток через обмотки и диод в два раза меньше, чем ток нагрузки, т.е. по среднему току и напряжению на нагрузке схема в два раза эффективней схемы однополупериодного выпрямителя:

; .

Мостовая схема выпрямления представлена на рис. 2.

В данной схеме требуется силовой трансформатор с одной обмоткой, но в выпрямителе используется четыре диода. Когда на вторичной обмотке силового трансформатора положительная полуволна, открыты диоды VD1, VD2 (VD3, VD4 – закрыты) и напряжение подключается к сопротивлению нагрузки (см. рис. 4б, интервал времени ). При отрицательной полуволне на обмотке силового трансформатора открываются диоды VD3, VD4 (VD1, VD2 – закрыты) и к нагрузке прикладывается отрицательная полуволна (см. рис. 4а пунктир), но таким образом, что в нагрузке ток протекает в том же направлении, что и в предшествующий полупериод.

Рис.2. Схема мостового выпрямителя – а), временные диаграммы его работы – б)

Достоинством данного выпрямителя является наличие в силовом трансформаторе всего лишь одной обмотки, по которой протекает переменный ток. Однако в отличие от схемы со средней точкой последовательно с нагрузкой включены два полупроводниковых диода, т. е. происходит дополнительное падение напряжения на диоде, соответственно и выделение тепловой энергии.

Полученное с помощью выпрямителя однополярное напряжение непригодно для дальнейшего использования, поскольку его уровень падает до нуля. Для уменьшения провалов напряжения используют сглаживающие фильтры, призванные уменьшить уровень пульсаций выходного напряжения выпрямителя до уровня, при котором стабилизатор работает устойчиво. Существуют различные виды сглаживающих фильтров, однако, наиболее широко используется фильтр на основе конденсатора значительной емкости. Работа такого фильтра имеет свои особенности, отличающие его от фильтров нижних частот. Если фильтр нижних частот работает с источником напряжения, имеющим постоянное выходное напряжение, то сглаживающий фильтр работает с выходным напряжением выпрямителя, имеющим в течение периода различные выходные напряжения. Рассмотрим работу сглаживающего С-фильтра на примере однополупериодного выпрямителя. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром представлена на рис. 3.

Рассмотрим работу фильтра в установившемся режиме при неизменной нагрузке. При подключении конденсатора к выпрямителю характер его работы изменяется таким образом, что интервал времени, в течение которого диод VD открыт, сокращается и становится меньше, чем . Причем, чем больше конденсатор , тем меньше интервал времени открытия диода VD ( , см. рис.2б). Это объясняется тем, что положительное напряжение на конденсаторе приложено к катоду диода VD в отличие от выпрямителя без сглаживающего фильтра, а диод открывается только тогда, когда напряжение на аноде больше, чем на катоде. Таким образом, в интервалы времени , (рис.1.5б) эквивалентная схема выпрямителя со сглаживающим фильтром выглядит так, как это показано на рис.1.5в. В эти интервалы времени напряжение прикладывается через открытый диод VD к параллельно соединенным и . После того, как напряжение достигнет максимального значения и начнет спадать, диод VD запирается, поскольку больше, чем и конденсатор и резистор отключаются от трансформатора. Это состояние продолжается до тех пор, пока напряжение на не станет меньше, чем (момент времени рис.1.5б). Данное состояние схемы продолжается больше, чем . Этому состоянию соответствует эквивалентная схема, представленная на рис.2г. Ток в нагрузке протекает только за счет разряда конденсатора . В результате выходное напряжение на нагрузке имеет вид, представленный на рис.2б. Откуда видно, что использование сглаживающего фильтра снижает пульсации выходного напряжения. Без фильтра они были равны , а с фильтром – .

Рис.3. Схема сглаживающего фильтра – а), временные диаграммы, поясняющие его работу – б), эквивалентные схемы фильтра в различные интервалы времени – в), г)

Для расчета значения емкости по заданной пульсации и току нагрузки примем следующие допущения. Положим, что интервал времени открытия диода много меньше, чем интервал времени, в течение которого он закрыт. Положим также, что емкость разряжается током . Тогда справедливо следующее соотношение

,

где – пульсация напряжения на конденсаторе (она же и на нагрузке);

– ток нагрузки, которым разряжается конденсатор ;

– интервал времени, в течение которого происходит разряд конденсатора .

для однополупериодного выпрямителя равно Т – периоду питающего сетевого напряжения и – для двухполупериодного выпрямителя.