Основные теоретические положения

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.

2.1. Принцип действия мостовой схемы выпрямления

Двухполупериодная мостовая схема (рис. 3.1) является основной схемой выпрямления для источников питания постоянного тока.

В рассматриваемой схеме (см. рис. 3.1) выпрямитель состоит из четырёх полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение U₂ вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки R_d. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d), отрицательным – точка соединения анодов (точка c).

Рис. 3.1. Двухполупериодная мостовая схема

Действие схемы показано на рис. 3.2, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 3.2а)

;

В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс токабудет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку R_d и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 3.1). Форма этого тока будет повторять форму тока i₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R_d , импульс тока i₁₃ выделяет на ней напряжение u_d (рис. 3.2д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2 и VD4 заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого .

При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 3.1). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут находиться диоды VD2 и VD4,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 3.2в).

В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R_d будет проходить импульс тока, выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 3.2б). Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R_d проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки i _d, под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 3.2б).

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.2. Временные диаграммы для мостовой схемы

2.2 Основные параметры мостовой схемы выпрямления

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:

.

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:

Отсюда можно рассчитать действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

При расчете выпрямленного тока I_d через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:

Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:

следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:

Амплитуда основной гармонической составляющей , следовательно коэффициент пульсаций:

.

Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для мостовой схемы – . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : По этим параметрам: прямой ток через диод I_пр = I_a и U_обрmax = U_2m выбирается диод мостовой схемы выпрямления.

2.3. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах . Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.

С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление ( ) для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.

Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Наиболее эффективным является емкостный фильтр, при использовании которого сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки R_d.

При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки R_d разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 3.2 г) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения при большой емкости конденсатора.

Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :

Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

2.4. Внешняя характеристика выпрямительного устройства

Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для мостовой схемы – , – падение напряжения на открытом диоде.

Внешняя характеристика 1 (рис. 3.3) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .

Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивлении и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки .

Рис. 3.3. Внешние характеристики выпрямительного устройства