Электроника. Раздел 4

Источники электропитания электронных устройств

Общие понятия

Выпрямители – это устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий ток одного направления, осуществляемое в основном вентилями (диодами) и зависит от вольт-амперных характеристик этих приборов.

Электрические вентили, применяемые в данных схемах выпрямления, должны обладать достаточно малым сопротивлением R_пр, минимальным обратным током I_обр и достаточно большим обратным напряжением, а также потреблять минимальное количество энергии.

Основные элементы схем выпрямления – это вентили, силовые трансформаторы, сглаживающие фильтры.

Вспомогательные – трансформаторы для питания цепей накала ламп, стабилизаторы напряжения и т.д.

Силовой трансформатор служит для согласования напряжения сети с заданным значением выходного напряжения. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Иногда между нагрузкой и сглаживающим фильтром включается стабилизатор напряжения.

Выпрямители различаются следующим образом:

1. по числу фаз: одно – и многофазные,

2. по прохождению тока через вторичную обмотку: однотактные и многотактные,

3. по периодичности тока: однополупериодные, двухполупериодные,

4. по мощности: маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 5 КВт), мощные (свыше 5 КВт),

5. по напряжению: низкого ( до 250 В), среднего (до 1000 В), высокого (свыше 1000 В),

6. по частоте: промышленной (50 Гц), повышенной (400-1000 Гц), высокой (свыше 1000 Гц)

Неуправляемые выпрямители.

Однополупериодные выпрямители

Состоит из силового трансформатора и вентиля V. Максимальное значение тока через вентиль определяется следующим образом:

Пульсирующий ток представляется в виде гармонических составляющих

Тогда

- постоянная составляющая выпрямленного тока

- переменная составляющая выпрямленного тока

Следующие составляющие – высшие гармоники выпрямленного тока. Ими можно пренебречь. Отношение амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока (напряжения) к постоянной составляющей выпрямленного тока (напряжения) называется коэффициентом пульсации

для данной схемы.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Выпрямленное напряжение составляет 0,45 от действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора

Схема однофазного выпрямителя с выводом нулевой точки.

Имеет два вентиля, причем в течение одного полупериода ток проходит через вентиль V₁, а в течение другого – через вентиль V₂. Трансформатор имеет две вторичные обмотки с общим нулевым проводом.

В первый полупериод (0-π) потенциал анода V₁ положителен, а V₂ отрицателен. Следовательно, в цепи V₁-R_н протекает анодный ток i_а2; V₂ – закрыт. В следующий полупериод фазы ЭДС на вторичной обмотке меняются на 180⁰. При этом V₁ закрыт, а V₂ – открыт и в цепи V₂-R_н течет ток i_в2. Поэтому i₀ течет только в одном направлении, т.к. поддерживается чередованием i_а2 и i_в2 . Он вызывает в нагрузке пульсирующее напряжение U₀. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке и трансформаторе U₀=0,9Е₂, где Е₂ – действующее значение фазной ЭДС.

Тогда выпрямленный ток I₀ = U₀/ R_н.

Среднее значение выпрямленного тока через один вентиль I_а=I₀/2.

Максимальное обратное напряжение U_{обр мах}=π U₀.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Тогда ток, протекающий по первичной обмотке

, где п=w₁/w₂ – коэффициент трансформации,

w₁, w₂ – количество витков первичной и вторичной обмоток.

Расчетная мощность трансформатора:

Коэффициент пульсации

Однофазный мостовой выпрямитель

В положительном полупериоде i₁ проходит через вентили 1 и 3. В отрицательном – ток i₂ проходит через вентили 2 и 4. Через R_н ток идет только в одном направлении. По вторичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Поэтому схема считается двухтактной. Среднее значение выпрямленного напряжения

Если учесть внутреннее сопротивление вентилей, то

Расчетная мощность трансформатора Р_т = 1,23Р₀.

Максимальное обратное напряжение U_{обр мах}= - независимо от характера нагрузки.

Преимущества схемы: сравнительно небольшое обратное напряжение.

Если допустимое обратное напряжение одного вентиля меньше U_{обр мах} , то в каждое плечо последовательно включается по несколько вентилей. При этом соблюдается условие

, где

п – число вентилей в плече моста.

Трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки (схема Миткевича)

Точки p,q,v – точки естественного переключения вентилей. Ток через вентиль и связанную с ним фазу вторичной обмотки трансформатора проходит в течение одной трети периода, когда напряжение соответствующей фазы выше напряжения на двух других фазах. Тогда ток в двух других фазах и вентилях в эту треть периода не проходит, т.к. потенциалы анодов этих вентилей ниже потенциалов их катодов.

Точки p,q,v соответствуют прекращению тока одного вентиля и появлению тока прямой проводимости следующего вентиля. Тогда выпрямленный ток разлагается на гармонический ряд Фурье:

,

где I_max – максимальное значение тока через вентиль,

т – число фаз сети.

Постоянная составляющая выпрямленного тока, при частоте пульсации f_n = 3f

Зная, что и найдем выпрямленное напряжение

Среднее значение тока I_ср = I₀ /3

Расчетная мощность трансформатора Р_т = 1,35Р₀

Обратное напряжение U_обр = 2,09U₀

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂=U₀/1,17 = 0,855U₀

Коэффициент пульсации ,

где - напряжение первой гармонической составляющей

Это почти в 2,5 раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. Применяется для выпрямления электрических сигналов средней мощности

Трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки (схема Ларионова)

Представляет собой как бы три простые мостовые схемы:

Первая - вентили 1,2,3,4

Вторая - вентили 1,2,5,6,

Третья - вентили 3,4,5,6.

Все вентили в схеме работают попарно-поочередно, причем в любой момент времени работает нечетный вентиль с наиболее отрицательным потенциалом катода и четный вентиль с наиболее положительным потенциалом анода.

Ток проходит через пару вентилей, разность потенциалов между которыми в данный момент времени максимальный. Смена пар вентилей происходит через каждые 2π/6 (60 эл.гр.), смена вентилей – через 2π/3 (120 эл.гр.).

Выпрямленное напряжение U₀=2,34U_2ф, где U_2ф - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Расчетная мощность трансформатора Р_т = 1,05Р₀

Обратное напряжение определяется линейным напряжением вторичной обмотки:

Коэффициент пульсации

Преимущества:

1. Возможность отсутствия трансформатора при напряжении сети, соответствующем необходимому значению выпрямленного напряжения.

2. Увеличение частоты пульсации в два раза и уменьшение коэффициента пульсации более чем в четыре раза, что уменьшает габаритные размеры и массу сглаживающего фильтра.

3. Значительно лучшее использование вентилей по напряжению, что позволяет получить высокие выпрямленные напряжения.

Недостаток: двойное потребление вентилей

Выпрямители с удвоением напряжения

Для исключения из схем трансформаторов (дороговизна) применяют схемы удвоения или умножения напряжения. Это позволяет получить выпрямленное напряжение в 2-4 раза больше напряжения сети.

При положительной полуволне переменного тока конденсатор С₁ заряжается через вентиль V₁ до амплитудного значения напряжения сети. При отрицательной - заряжается конденсатор С₂ через вентиль V₂. Непременное условие схемы – равенство конденсаторов (С₁ = С₂) и по отношению к нагрузке подключены параллельно. При малых нагрузках конденсаторы не успевают разряжаться, поэтому выходное напряжение выпрямителя равно удвоенному амплитудному значению напряжения сети.

При номинальной нагрузке U₀ = 2U

Током нагрузки является ток разряда соединенных последовательно конденсаторов С₁ и С₂. Частота пульсации равна двойной частоте сети. В данных схемах целесообразно применять полупроводниковые вентили.

Недостаток: невозможность заземления нагрузки, т.к. это может привести к замыканию одного из вентилей.

Каскадный выпрямитель с удвоением напряжения

При положительной полуволне ток I₁ , проходя через вентиль V₁ заряжает конденсатор С₁ до амплитудного значения входного напряжения. При отрицательной полуволне I₂ заряжается С₂ через V₂ и одновременной разрядки С₁ до двойного амплитудного значения входного напряжения. При включении нагрузочного резистора R_н напряжение на нем снижается в среднем до двойного действующего значения входного напряжения. Ток разряда С₂ является током нагрузки I₀. Преимущества: возможность заземлять нагрузку, т.к. минус нагрузки соединен непосредственно с сетью. Частота пульсации в схеме равна частоте сети. С₂ заряжается по одному разу за каждый период питающего тока, из-за того, что подключен параллельно к нагрузке.

Управляемые выпрямители.

А) Однофазный управляемый выпрямитель.

Управляемый выпрямитель – это выпрямитель с управляемыми вентилями (тиристорами). Он позволяет регулировать уровень выпрямленного напряжения. В данной схеме момент открывания тиристоров определяется моментом подачи на управляющий электрод импульсов управления U_у. Тогда в моменты времени wt₁ и wt₂ тиристоры открываются с задержкой по отношению к моментам перехода напряжения через ноль, т.е. в общем случае с фазным сдвигом α = ωt, где ω – угловая частота напряжения сети. Угол α – угол управления (отсчитывается от точки естественного отпирания тиристоров, выражается в градусах). Т.к. управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямленного напряжения, α для обоих тиристоров остается постоянным. В интервалах 0 - wt₁ и π - wt₂ мгновенное значение напряжения на нагрузке равно 0. Изменение α позволяет регулировать выпрямленное напряжение U₀. Его среднее значение для произвольного угла α

(1)

Для неуправляемого режима (α = 0) U₀₀=2E_2m/ π (2).

Если α 0 - это уравнение характеристики управления вентилем

При α = 0 среднее значение выпрямленного напряжения максимально, а при α = π оно равно нулю. Это следует из формул (1) и (2).

Б) Трехфазный управляемый выпрямитель

При активной нагрузке и реактивной, равной нулю момент включения тиристоров и длительность их работы определяются углом управления , отсчет которого производится от угла естественного включения вентиля /3, сдвинутого влево от максимума синусоидального напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора.

При работе на активную нагрузку с изменением угла управления можно выделить два характерных режима работы выпрямителя:

1. непрерывных токов (при 0    /6);

2. прерывистых токов (/6    5/6).

Тогда выпрямленное напряжение определяется выражением, если за начало отсчета принимаем точку ноль (0).

Если же токи прерывисты, то среднее значение выпрямленного напряжения

При = 5/6 выпрямленное напряжение равно нулю.

Сглаживающие фильтры

Общие понятия и назначение

Выпрямленное напряжение всегда имеет пульсирующих характер и содержит кроме постоянной, переменные составляющие. В большинстве случаев это не приемлемо. Допустимый коэффициент пульсации 0,001 – 2,5%. Т.к. это условие не одной схемой выпрямления не выполняется, на выходе выпрямителей устанавливаются сглаживающие фильтры. К ним предъявляются следующие требования:

1. необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения и не допускать уменьшения постоянной.

2. броски напряжения и тока при включении и выключении должны находиться в допустимых пределах.

3. собственная частота фильтра должна быть меньше частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежании резонанса в звеньях цепи.

Сглаживающий фильтр состоит в основном из катушек индуктивности и конденсаторов, в крайних случаях – резисторы. Основной параметр фильтра – коэффициент сглаживания

, где

k_{п вх} , k_{п вых} – коэффициенты пульсации напряжения на входе и выходе фильтра.

Простой индуктивный фильтр

Состоит из одного дросселя. Применяется в низковольтных схемах с ионными и полупроводниковыми диодами.

Если амплитуда переменной составляющей напряжения на входе фильтра U_m1, а на выходе U_m2, то переменная составляющая тока в данной цепи для гармоники, имеющей частоту mw

, где

т - количество периодов гармонических составляющих,

r - внутреннее сопротивление вентиля и активное сопротивление дросселя.

Если этим пренебречь, то коэффициент сглаживания будет определяться по формуле:

Для получения большого значения необходимо условие  R_n. В этом случае . Тогда .

Отсюда индуктивность дросселя при заданном значении коэффициента сглаживания можно определить следующим образом

(Гн)

Сердечник дросселя должен иметь немагнитный зазор, чтобы постоянные составляющие выпрямленного тока не вызвала насыщения магнитопровода, приводящего к уменьшению магнитной проницаемости  и индуктивности L.

Простой емкостной фильтр

В данной схеме конденсатор стоит параллельно нагрузке. Постоянная составляющая выпрямленного тока I₀ проходит только через нагрузку R_н, переменная разветвляется и проходит частично через нагрузку I_т1, частично через конденсатор - I_т2. Для хорошего сглаживания нужно, чтобы переменная составляющая выпрямленного тока проходила в основном через конденсатор. Для этого емкость конденсатора выбирают с условием Х_с  R_н. Так как частота пульсации mw, емкостное сопротивление

Токи в параллельных ветвях С и R_н обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей, т.е.

Учитывая, что I_m1I_m2, можно считать, что амплитуда переменной составляющей выпрямленного тока до точки разветвления I_m = I_m1+I_m2 I_2m.

Выведем коэффициент сглаживания емкостного фильтра

Если емкость выражена в микрофарадах, то k_сг=mwCR_n*10^-6

Для расчета емкостного фильтра существует определенный порядок

1. По выбранной схеме выпрямителя находят U₁

2. По заданному значению U₂ находится коэффициент сглаживания

1. Определяется необходимая емкость конденсаторов и сопротивление нагрузки (мкФ),

2. Выбирается тип конденсатора, его номинальная емкость, рабочее напряжение. Рекомендуется U_раб  1,5U₀ , U_раб – рабочее напряжение на конденсаторе

Г - образные сглаживающие фильтры

Необходимое условие для данной схемы

Х_с  R_n  X_L

Амплитудное значение тока основной гармоники

, где

Z_вх – полное сопротивление нагрузки и фильтра

Z_вых – полное сопротивление нагрузки и конденсатора фильтра.

При выполнении обязательного условия

Z_вх = j (X_L – X_C) , Z_вых= -jX_C 

Учитывая, что X_L = wL, X_c = 1/wC

Получаем k_сг= w²LC – 1 или

П – образные фильтры

Данные фильтры применяются, если коэффициент сглаживания равен 100 –1000 и более. Большой коэффициент сглаживания П – фильтра по сравнению с Г – фильтром достигается за счет ухудшения параметров выпрямителя (габаритных размеров, массы, стоимости). При сопротивлении нагрузки в несколько КОм применяют СRС – фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) – СLС – фильтры.

Т.к. для каждого звена входное напряжение является выходным напряжением предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания пульсаций многозвеньевого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

к_сг= к_сг1* к_сг2*…*к_сгп

Если все коэффициенты одинаковы, то к_сг= , где п – число звеньев.

Для данного фильтра к_сг= к_сгС* к_сгГ, где

к_сгС - коэффициент сглаживания конденсатора

к_сгГ - коэффициент сглаживания Г – образного фильтра.

Перед расчетом фильтра необходимо задаться значением конденсатора С₁, тогда по формуле k_сг=mwCR_n*10^-6 находим k_сгС.

По заданному значению k_сг определяем коэффициент сглаживания Г – образного фильтра.

Затем вычисляем значение

Задаемся значением величины С₂ = (1 – 2)С₁ и находим L

Стабилизаторы напряжения

Общие сведения

Изменение напряжения на входе выпрямителя и изменение сопротивления нагрузки приводят к отклонению выпрямленного напряжения от номинального значения. Для того, чтобы избежать данные явления применяются стабилизаторы. Стабилизатор напряжения поддерживает стабильное напряжение на нагрузке при изменении напряжения сети и сопротивления нагрузки в определенных пределах.

Основной параметр стабилизатора – коэффициент стабилизации, равный отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора

, где

= U_{вх мах}-U_{вх min}

= U_{вых мах}-U_{вых min}

U_вхн, U_{вых н} – номинальное значение напряжения на входе и выходе стабилизатора.

Выходное сопротивление стабилизатора – это отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении, а также при неизменных других дестабилизирующих факторах .

Знак «-» показывает, что с увеличением тока нагрузки выходное напряжение уменьшается, и наоборот.

Компенсационные стабилизаторы.

Если входное напряжение повышается, то возникает увеличение тока в цепи R₁ и R₂ и  падения напряжения U₂ на резисторе R₂. U₂ действует с опорным напряжением U_ст в цепи эмиттер – база транзистора VT₂. Поэтому, повышение напряжения U₂ приводит к уменьшению тока в цепи эмиттер – коллектор VT₂, и соответственно падения напряжения на R₄. Это вызывает уменьшение разности потенциалов между базой и эмиттером, т.е. увеличение сопротивления постоянному току цепи коллектор – эмиттер транзистора VT₁. Это приводит к уменьшению падения напряжения на транзисторе VT₁, при неизмененном выходном напряжении стабилизатора.

При возрастании тока нагрузки уменьшается падение напряжения на R₁, ток коллектора транзистора VT₂ и падение напряжения на R₄, что обуславливает увеличение разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT₁ и уменьшение сопротивления цепи коллектор – эмиттер транзистора VT₁. Поэтому выходное напряжение стабилизатора почти постоянно.

Коэффициент стабилизации к_ст100, выходное сопротивление R_вых1,Ом. R₁ выбирают переменным. Для повышения к_ст на вход усилительного транзистора VT₂подается напряжение через сопротивление R₅.

Параметрические стабилизаторы

В них выходное напряжение практически неизменно при изменении входного напряжения или сопротивление нагрузки за счет перераспределения тока и напряжения между элементами схемы. Здесь обязательно используются нелинейные элементы. Обобщенная схема с линейным R₁ и нелинейным R₂.

Из вольт – амперных характеристик видно, что при изменении в сравнительно больших пределах входного напряжение выходное напряжение, снимаемое с нелинейного элемента, изменяется незначительно, т.к. большая часть приращения входного напряжения падает на линейном элементе, характеристика которого проходит более круто.

Компенсационные стабилизаторы на полупроводниковых стабилитронах.

Здесь последовательно со стабилитроном включен термистр. Т.к. п/п стабилитрон обладает положительным температурным коэффициентом, а термистр – отрицательным, при включении достигается температурная компенсация изменений выходного напряжения. Для этой цели вместо термистора иногда включают п/п диод с отрицательным температурным коэффициентом.

Мостовые схемы с п/п стабилитронами

Здесь входное напряжение подается на одну диагональ моста, а снимается со второй. Коэффициент стабилизации значительно выше, чем в обыкновенных схемах. Этим и объясняются основные преимущества всех мостовых схем.

Стабилизаторы тока

Приборы для преобразования тока называются бареттерами и поддерживают величину тока постоянной при изменении напряжения.

Состоит из вольфрамовой или стальной нити с положительным температурным коэффициентом, помещенной в стеклянный баллон с водородом. Концы нити выведены на цоколь. Применяется для стабилизации тока накала электронных ламп и устанавливается последовательно с ними.

Избыток напряжения гасится на бареттере.

Когда ток проходит по нити накаливания, нить нагревается и ее сопротивление увеличивается, тем самым понижается напряжение. Аналогично происходит, если ток падает. Кривую работы бареттера можно изобразить следующим образом.

Основные параметры бареттера:

1. номинальный ток бареттирования I_б (с точностью до +-5%);

2. пределы бареттирования U_minб U_maxб

При стабилизации больших токов, бареттеры устанавливаются параллельно. Для выбора данного прибора необходимо помнить два условия

1. , где U – напряжение источника питания, U_n – напряжение накала лампы, включенной в цепь бареттера.

2. I_bn = I_n1+I_n2+I_n3 - суммарный ток накала всех ламп, включенных параллельно.

В следствии большой инерционности нити накаливания, прибор не реагирует на кратковременные изменения тока в цепи.

Аналогично работают п/п бареттеры.