Сократи текст Краткие теоретические сведения Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями. На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника питания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор Тр, согласующий напряжение сети UС с напряжением U2 на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения Ud; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряжения UdН на нагрузочном устройстве RН в условиях изменения напряжения сети и тока в RН. Работа выпрямителя характеризуется: - средним значением выпрямленного напряжения Ud и тока Id (в нагрузке); - максимальным обратным напряжением Um ОБР; - коэффициентом пульсации P и частотой fn пульсаций выпрямленного напряжения; - внешней характеристикой выпрямителя Ud = F(Id). Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением Ud(Id). Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а 22 временные диаграммы тока iН и напряжения uН на нагрузочном устройстве RН – на рис. 2б. Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю. Ток iН в нагрузочном резисторе RН появляется только в те полупериоды напряжения u2, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резисторе uН = u2. В отрицательный полупериод u2 к диоду приложено обратное напряжение u2 ОБР, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резистор RН протекает только в течение одного полупериода напряжения u2 и имеет пульсирующий характер. Наибольшее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора: U2 m ОБР = Ud 23 Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления. Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения uН и тока iН в нагрузочном резисторе RН – на рис. 3б. Два диода, Д1 и Д2, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резистор RН включается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный ток i'2 протекает от «a» через Д1 и нагрузочный резистор RН к точке «о». К диоду Д2 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д2 и нагрузочный резистор RН к точке «о», а к диоду Д1 приложено обратное напряжение u2 ОБР. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряжения u2 протекает в одном направлении. 24 Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжение u2 ОБР на закрытых диодах при одинаковых значениях напряжения u2 = u2' = u2'' в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах. Широкое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д1 – Д4. Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», ток i2 проходит через диод Д1, нагрузочный резистор RН и диод Д3. К диодам Д2 и Д4 приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», ток i2`` проходит от обмотки трансформатора через диод Д2, нагрузочный резистор RН и диод Д4. К диодам Д1 и Д3 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР. Таким образом, ток через RН в течение периода напряжения u2 также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя. Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U2m ОБР = Ud / 2, а величина пульсаций та же. 25 Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройством RН. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты. Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , L и C элементов. На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; где u3 - напряжение на выходе выпрямителя без фильтра. Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор Сф накапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряжения u3, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатора Cф было значительно больше периода Т изменения напряжения u3. Последнее выполняется тем лучше, чем постоянная времени разряда конденсатора τразр = RнCф больше периода Т изменения напряжения u3. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда сопротивление Rн нагрузочного устройства велико. Принцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопротивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве. На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного выпрямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б). 26