Коэффициент пульсации напряжения выпрямителя. Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузке в мостовой схеме равна удвоенной частоте сети. Противопоказания к кардиотренировкам

При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!

Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают работники электростанций и обслуживающего персонала, это ее частота колебаний 50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%. Еще один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в "экологию" питания аппаратуры.

Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не способен работать в качестве фильтра НЧ.
Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.

После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:

1. Стабильность напряжения питания 230В c точностью не хуже 2% (при нагрузке 40Вт)
2. Выходная мощность РСП 60-100Вт (вполне достаточно для питания источника звука)
3. Коэффициент гармонических составляющих на активной нагрузке 40Вт не более 0,5% (в то время как в бытовой ЭС этот параметр примерно равен 5%)
4. Стабильность частоты питающего напряжения (частота задающего генератора 100Гц) ± 0,5%
5. Гальваническая развязка с ЭС
6. Низкий акустический уровень шума.

Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.

Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:

1. Облегчается работа питающего трансформатора
2. Снижается магнитная индукция трансформатора, что приводит к снижению рассеивания магнитного поля, а также отсутствия постоянного напряжения насыщения железа трансформатора в питающем устройстве и как следствие создается более благоприятное условие его работы.

Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже.
Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.

Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.

Рис. 1 Схема для измерения пульсаций

Рис. 2а Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц

Рис. 2б Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц

Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а, а также 100Гц рис. 3б.

Рис. 3а Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц

Рис. 3б Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц

Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза
Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.

Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4

Рис. 4 Блок питания РСП

Принцип работы РСП следующий:
При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.

Время работы схемы soft-start рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).

Рис. 5 Схема Soft-start

По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.

Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие:
Магнитопровод марки ОЛ55/100-40.
Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт
Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм
Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм

Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний.
Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.

Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний

После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7

Рис.7 Усилитель мощности для РСП

Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA.
Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе "D". Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.

Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.

Рис. 8а Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа

Рис. 8б Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа

Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше, отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую.
Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.

При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.

Рис. 9 Фотографии РСП в сборе

Заключение

Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.

Смирнов Алексей Николаевич (), e-mail: [email protected]

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Рис. 1 Схема для измерения пульсаций
VD1	Диодный мост		1			В блокнот
С1		47 мкФ	1			В блокнот
R1	Резистор	75 Ом	1			В блокнот
	Генератор		1			В блокнот
	Осциллограф		1			В блокнот
S1	Выключатель		1			В блокнот
	Рис. 4 Блок питания РСП
VR1	Линейный регулятор	LM7815	1			В блокнот
VR2	Линейный регулятор	LM7915	1			В блокнот
VD1-VD4	Диод	20ETS08	4			В блокнот
VD1-VD4	Выпрямительный диод	DF08MA	8			В блокнот
С1-С4	Электролитический конденсатор	2200 мкФ	4			В блокнот
С5, С8	Конденсатор	100 нФ	2			В блокнот
С6, С7	Электролитический конденсатор	470 мкФ	2			В блокнот
С9-С16	Электролитический конденсатор	4700 мкФ	8			В блокнот
С17, С18	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	2			В блокнот
С19, С20	Конденсатор	1 мкФ	2			В блокнот
R1, R2, R5, R6	Резистор	10 Ом	4			В блокнот
R3, R4, R7, R8	Резистор	100 Ом	4			В блокнот
R9-R12	Резистор	0.5 Ом	4	5 Вт		В блокнот
T1	Трансформатор	250 Вт	1			В блокнот
T2	Трансформатор	20 Вт	1			В блокнот
S1	Выключатель		1			В блокнот
	Вилка сетевая		1			В блокнот
XT1, XT2	Разъем		2			В блокнот
	Разъем	Gen Power	1			В блокнот
	Рис. 5 Схема Soft-start
D1	Программируемый таймер и осциллятор	NE555	1			В блокнот
D1	Микросхема	MC14069U	1			В блокнот
VR1	Линейный регулятор	LM7812	1			В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ972А	1			В блокнот
VD1-VD4	Диодный мост	DF08S	1			В блокнот
VD5	Выпрямительный диод	1N4007	1			В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	2200 мкФ	1			В блокнот
С2	Электролитический конденсатор	470 мкФ	1			В блокнот
С3, С5, С6	Конденсатор	100 нФ	3			В блокнот
С4, С7	Электролитический конденсатор	47 мкФ	2			В блокнот
R1	Резистор	330 Ом	1	подбор		В блокнот
R2	Переменный резистор	200 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
R4, R5	Резистор	10 кОм	2			В блокнот
R6	Резистор	220 Ом	1			В блокнот
Rel1	Реле		1			В блокнот
	Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний
D1	Операционный усилитель	TL072	1			В блокнот
VT1	MOSFET-транзистор	BF245A	1			В блокнот
VD1, VD2	Диод		2			В блокнот
VD3	Стабилитрон	1N750	1			В блокнот
С1-С3	Конденсатор	0.22 мкФ	3			В блокнот
С4	Электролитический конденсатор	2.2 мкФ	1			В блокнот
С5	Конденсатор	1 мкФ	1			В блокнот
С6, С7	Электролитический конденсатор	220 мкФ 16 В	2			В блокнот
С8, С9	Конденсатор	0.1 мкФ	2			В блокнот
R1, R2, R7	Резистор	5.1 кОм	3			В блокнот
R3	Резистор	4.7 кОм	1			В блокнот
R4, R11	Резистор	2 кОм	2			В блокнот
R5	Резистор	62 кОм	1			В блокнот
R6	Резистор	8.2 кОм	1			В блокнот
R8	Резистор	36 кОм	1			В блокнот
R9	Резистор	1 МОм	1			В блокнот
R10	Резистор	68 кОм	1			В блокнот
R12, R13	Резистор	100 Ом	2			В блокнот
R19	Переменный резистор	22 кОм	1			В блокнот
	Разъем	Gen signal	1			В блокнот
	Разъем	Gen power	1			В блокнот
	Рис.7 Усилитель мощности для РСП
DA1	Операционный усилитель	TL071	1			В блокнот
VR1	Линейный регулятор	LM7812	1			В блокнот
VR2	Линейный регулятор	LM7912	1			В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ815А	1			В блокнот
VT2	Биполярный транзистор

При расчётах источников электропитания любое радиоустройство или станцию связи представляют активным эквивалентом с сопротивлением

(1) где U 0 — постоянная составляющая напряжения, I 0 — ток нагрузки.

Реальная нагрузка обычно нелинейна, поэтому часто используют дифференциальное сопротивление нагрузки:

(2).

Обычно R н ≠ R НД, поэтому расчёты вторичных источников электропитания справедливы только для номинального режима и это является источником погрешности в расчётах показателей выпрямительных устройств.

Коэффициент полезного действия

Основной характеристикой любого энергетического устройства является его КПД, который равен отношению активных мощностей на выходе (Рвых) и на входе (Р — мощность, потребляемая от первичной сети):

(3) где P вых = P 0 = U 0 ×I 0 — выходная мощность.

Если первичная сеть постоянного тока, то потребляемую мощность определяют P = U ВХ ×I ВХ. Если первичная сеть переменного тока, то мощность, потребляемая от сети при гармоническом токе равна:

S = U×I — полная мощность P = U×I ×cos φ — активная мощность Q = U×I× sin φ — реактивная мощность, где U, I — действующие значения напряжения и тока.

Справедлив треугольник мощностей (рисунок 1):

Рисунок 1 — Треугольник мощностей

Если ток потребления несинусоидальный, то активная мощность потребляется только на той частоте, которая совпадает с частотой напряжения сети. Здесь в полной мощности появляется ещё одно слагаемое — мощность искажений (Т)

, (4)

но активная мощность потребляется только по первой гармонике P=U×I 1 ×cos φ 1 , где I 1 — действующее значение первой гармоники тока и угол сдвига этой гармоники — φ 1 .

Коэффициент мощности

Полная мощность (S) характеризует предельные возможности источника энергии. Под коэффициентом мощности понимается отношение

, (5) где ν = I 1 /I — коэффициент искажения тока; I 1 — действующее значение первой гармоники; I — действующее значение всех гармоник несинусоидального тока.

При синусоидальной форме переменного тока полная мощность равна потребляемой мощности S = P только при резистивной нагрузке. Реальные потребители электроэнергии всегда имеют реактивную составляющую сопротивления и часто обладают нелинейным характером, поэтому коэффициент мощности χ≤1. В энергетике принимают специальные меры для его повышения. Международная электротехническая комиссия (МЭК) ещё в 1992г ввела в действие стандарт IEС–555–2, согласно которому любое устройство, потребляющее от сети мощность более 300 ватт, должно иметь коэффициент мощности равный единице. Это возможно только при наличии на входе активного корректора коэффициента мощности (ККМ). В 2001 принят новый стандарт IEC–1000–3–2, в котором уровень мощности снижен до 200 ватт, поскольку растёт число потребителей именно малой мощности. Поэтому любая электротехническая продукция, выходящая на международный рынок и подключаемая к сети переменного тока, должна иметь активный характер входного сопротивления.

Коэффициент пульсаций

Форма выходного напряжения ВУ в общем случае содержит постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Она приведена на рисунке 2. Под коэффициентом пульсаций понимается отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к постоянной составляющей U 0 , хотя его можно определить по любой гармонике, которая может оказаться больше первой.

Рисунок 2 — Выходное напряжение выпрямителя

Представив выпрямленное напряжение рядом Фурье — суммой постоянной составляющей U 0 и n гармоник с амплитудами U mn , находят коэффициент пульсаций напряжения:

, (6)

Постоянная составляющая U 0 — является полезным продуктом выпрямителя, а пульсации U mn — вредной составляющей. При сложной форме пульсаций наибольшую величину может иметь не первая гармоника, а гармоника с более высоким номером, хотя обычно под k П понимается именно первая гармоника, которая используется во всех расчётах и приводится в технической документации на оборудование.

В современных выпрямителях, использующих импульсные методы преобразования, форма пульсаций существенно отличается от синусоидальной формы (см. рисунок 2б). Потребителя обычно не интересует, какая из гармоник на выходе выпрямителя имеет максимальный размах. Его интересует общий размах пульсаций или так называемый абсолютный коэффициент пульсаций (k абс), который может рассчитываться по разным формулам, например:

, (7) , (8)

Например, если постоянное напряжение U 0 = 10 В, а напряжение пульсаций U m1 = 1В, то:

Видно, что абсолютный коэффициент пульсаций вдвое больше по величине и объективно отражает пульсации на нагрузке, хотя во всех нормативных документах указываются именно пульсации по первой гармонике. Поэтому к коэффициенту пульсаций надо относиться очень внимательно.

Для оценки помех, проникающих в телефонные каналы связи по цепям питания необходимо учитывать не только амплитуду, но и частоту помехи. Это связано с неравномерной чувствительностью человеческого уха в звуковом диапазоне. Поэтому вводится понятие псофометрического коэффициента a к, зависимость которого от частоты приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Псофометрический коэффициент

На частоте f = 800 Гц a к = 1. Относительное влияние гармоник с другими частотами характеризуется величиной псофометрического коэффициента. Эффективное значение псофометрического напряжения пульсаций U псф на выходе выпрямителя определяется выражением:

где a к — коэффициент соответствующей гармоники, U км — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика вторичного источника питания — это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки: U 0 = f(I 0). Вторичный источник питания обычно представляется генератором постоянного напряжения U 0xx (холостого хода) с внутренним сопротивлением R вых. Эта схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема вторичного источника питания

По этой схеме можно определить напряжение на зажимах источника питания: U 0 = U 0xx − I 0 R вых. Типовая внешняя характеристика источника питания приведена на рисунке 5 и обычно имеет падающий характер.

Рисунок 5 – Типовая внешняя характеристика источника питания

Падение напряжения определяется выходным сопротивлением источника питания, поэтому по внешней характеристике можно определить его выходное сопротивление:

, (13)

это сопротивление обычно нелинейное, поэтому его находят при заданном рабочем токе. У стабилизированного источника питания выходное сопротивление может быть достаточно мало, и тогда внешняя характеристика принимает вид, показанный на рисунке 6.

Рисунок 6 – Внешняя характеристика стабилизированного источника питания

Выходное сопротивление источника питания существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько блоков (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника при R вых ≠0 приводит к электрической связи между несколькими нагрузками. Эта ситуация иллюстрируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

, (14)

где ω н — частота изменения тока нагрузки.

При импульсных токах нагрузки это условие надо выполнить для широкого спектра частот, но идеальных конденсаторов не существует. Реальный конденсатор можно представить эквивалентной схемой замещения, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8 — Эквивалентная схема реального конденсатора (а) и зависимость его полного сопротивления от частоты (б)

Здесь R с — сопротивление потерь, зависящее от тангенса угла потерь используемого диэлектрика, L — индуктивность выводов и инерционность диэлектрика. Зависимость полного сопротивления Z от частоты носит резонансный характер. Частота резонанса зависит от типа, конструкции конденсатора и меняется в широких пределах от 2 ГГц для керамических smd конденсаторов до десятков килогерц для электролитических конденсаторов. Например, для конденсатора К50-33 с напряжением 63 В и ёмкостью С = 4700мкФ, модуль полного сопротивления лежит в пределах Z = 0,03 ... 0,1 Ом в диапазоне частот 10кГц... 1МГц.. При этом значение сопротивления идеального конденсатора равно:

(15)

То есть, реальное сопротивление конденсатора на частоте 10 кГц на порядок превышает теоретическое значение сопротивления Х с. Поэтому в схемах устройств, чувствительных к помехам параллельно электролитическому конденсатору ставят плёночный или керамический конденсатор малой ёмкости, который обладает большей полосой рабочих частот.

Масса и объём

Энергетические устройства одинакового назначения сравнивают между собой по удельным массо-объёмным показателям с размерностью: Вт/дм³ и Вт/кг (иногда кг/Вт). Габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплопровода (VT), либо конструктивным объёмом, необходимым для размещения деталей V к. Применение интегральной и гибридно-плёночной технологии изготовления диодов, транзисторов, резисторов, дросселей и других деталей, повышает их коэффициент загрузки, т.е. увеличивается плотность тока j (А/мм²) и частота преобразования, что приводит к уменьшению массы и объёма конструкции V к. С другой стороны повышение коэффициента загрузки приводит к увеличению потерь, следовательно, возрастает и требуемый «тепловой» объём (V т). Это положение иллюстрируется графиком, приведенным на рис.7, где по оси абсцисс отложен интегральный параметр — частота f, плотность тока j, индукция В.

Рисунок 9 — Зависимость объёма вторичного источника питания от частоты, плотности тока и индукции

Можно предположить, что увеличивая частоту, можно снизить объём конструкции, однако при этом возрастает минимальный тепловой объём (мощный транзистор ставится на радиатор!). Поэтому нет смысла уходить за точку оптимума. Попадание в эту точку на этапе проектирования системы может быть только случайным, поскольку задача многопараметрическая. Любое отклонение от неё в ту или другую сторону является основанием для оптимизации режимов работы с целью повышения удельной мощности и КПД вторичного источника.

Современные выпрямители (ВБВ — импульсные) работают в районе точки оптимума и характеризуются удельной мощностью 400 ... 600 Вт/дм³ при частоте преобразования 50 ... 100 кГц. Классические выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, имеют удельную мощность 7 ... 10 Вт/дм³ .

Литература:

1. А. Ю. Воробьев Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. — М.: Эко-Трендс, 2002. — 280 с.

Вместе со статьей "Вторичные источники питания" читают:

Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухпо-лупериодной схеме выпрямления.
Двухполупериодное умножение напряжения.| Схема однополупе-риодного умножения напряжения. Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухполупериоднои схеме выпрямления.
ДЭЗ с изменяемой частотой пульсации напряжения могут работать при намного более низких скоростях газа-носителя, чем детекторы, работающие при постоянной частоте пульсации. ГЖХ-метод с ДЭЗ, описанный в работе , позволяет анализировать в клинической лаборатории до 40 образцов бензодиазепинов в день с получением в этот же день окончательных результатов.
Для этого собственная частота фильтра и частота пульсации напряжения должны резко отличаться друг от друга.
Так как (01п2шф, то возможность резонансных явлений на частотах пульсации напряжения исключается.
Настроечная карта телевизоров Знамя-58 и Знамя - 58М. а - расположение органов настройки контуров со стороны ламп. б - то же, со стороны монтажа. в - частотная характеристика УПЧ с сетки лампы Jl. a - то же, с сетки лампы Л. и - частотная характеристика канала изображения. е - то же, УПЧ.| Частотная характеристика видеоусилителя. Кривая / - характеристика второго каскада. кривая / / - суммарная характеристика двух каскадов. Пульсация напряжения на катоде лампы Л9 противоположна по фазе и равна по частоте пульсации напряжения на сетке лампы селектора. В результате сложения этих напряжений общий уровень фона в анодной цепи селектора кадровых синхроимпульсов уменьшается и устойчивость кадровой синхронизации повышается.
Дроссели сглаживающих фильтров можно также условно классифицировать по энергии, характеризующейся величиной / 20L №, на дроссели малой, средней и большой мощности; по частоте пульсации напряжения и тока: низкочастотные и повышенной частоты; по конструктивным особенностям магнитопровода и обмоток, а также по эксплуатационным свойствам.
Фотоэлектрические тахометрические преобразователи основаны на появлении пульсирующего электрического напряжения в цепи фотоэлемента в результате периодического прерывания вращающейся турбинкой луча света, падающего на фотоэлемент. Частота пульсации напряжения в цепи фотоэлемента пропорциональна вращению турбинки. Такие преобразователи не создают никакого тормозящего момента, но устройство их сложнее, чем индукционных или индуктивных. Обычно осветитель (электрическая лампочка) и фотоэлемент устанавливаются с разных сторон турбинки и отделяются от измеряемого вещества прочными стеклами. В теле турбинки делается одно или несколько отверстий, которые при вращении турбинки создают периодическое освещение фотоэлемента светом, падающим от осветителя. Для получения высокой частоты фототока служат разные средства. Так, в работе для этой цели применено зубчатое колесо, каждый зуб которого модулирует луч света, падающий на фотоэлемент. В другом расходомере применены три фотоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит из лампы, фотосопротивления и двух оптических призм, отделяющих фотосопротивления и лампы от жидкости.
Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока определенного конструктивного исполнения, у которого обеспечена строгая пропорциональность частоты вращения выходному напряжению, независимость от температуры, долговременная стабильность и небольшие пульсации выходного напряжения. Если частота пульсаций напряжения тахогенератора, определяемая числом пазов статора, окажется близкой к частоте пульсаций напряжения преобразователя, могут возникнуть биения, нарушающие работу системы регулирования. Для шестипульсного преобразователя, основная частота пульсаций которого равна 300 Гц, биения могут возникнуть, например, при 30 пазах и частоте вращения около 600 об / мин.
На основании (95) производят выбор L и С по рекомендациям формул (93) с учетом конструктивных соображений и избежания явления резонанса в элементах фильтра. В последнем случае требуется, чтобы собственная частота фильтра u0l / ] / Z C была меньше частоты пульсаций напряжений первой гармоники и не кратной ей.
Проведенный анализ показывает, что в двухполупериодной схеме трансформатор используется значительно лучше, чем в однополупериодной схеме, вследствие отсутствия вынужденного намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки. Среднее и максимальное значения тока вентиля уменьшаются в два раза при одном и том же токе нагрузки. Частота пульсаций напряжения на нагрузке увеличивается в два раза. Обратное напряжение на вентиле по-прежнему велико.
В результате можно сделать вывод о необходимости ориентироваться на величины накопительной емкости С - (Юн - 50) - 103 пф и напряжения на ней t / 10 кв, что является определенным затруднением на пути реализации такого генератора световых вспышек. Следует также обратить внимание на качество высоковольтных источников питания. Может иметь место поджиг строботрона с частотой пульсации напряжения на электродах, определяющейся частотой сети и многофазностью выпрямителя.

Схемы выпрямления с умножением напряжения могут быть трансформаторные и бестрансформаторные. В качестве примера на рис. 4.22 показаны схемы выпрямления с умножением в два, три и шесть раз. Действие этих схем общеизвестно и лишь аз порядке напоминания укажем, что кратность умножения напряжения является приблизительно целым числом, частота пульсации напряжения на нагрузке определяется частотой питающего напряжения (ynfc), число вентилей и конденсаторов равно кратности умножения напряжения. Применение таких схем оправдывает себя лишь при малых токах нагрузки, когда конденсаторы схемы работают в режиме частичного разряда.

Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u 2 в моменты времени, когда напряжение u 2 превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t 1 -t 2 на рис. 6.7). В течение интервала времени t 2 -t 3 , когда напряжение u c u 2 , вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R н. С момента времени t 3 процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение u н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Большее уменьшение пульсации напряжения обеспечивают Г-образные фильтры, представляющие собой смешанные LC фильтры (рис. 6.8). Уменьшение пульсации LC фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L ф, которая называется дросселем. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямленного напряжения LC фильтр незначительно уменьшает и постоянную составляющую. Это происходит за счет падения напряжения на активном сопротивлении катушки. Если один Г-образный фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсации, последовательно включают несколько фильтров, например, Г-образный и емкостной фильтры, в совокупности дающие так называемый П-образный фильтр. На рис. 6.8 второй конденсатор П-образного фильтра указан пунктиром.

В реальных выпрямителях с ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя U ср уменьшается вследствие падений напряжения в активном сопротивлении обмоток трансформатора I∙R тр и последовательных элементах сглаживающего фильтра I∙R ф, а также падения напряжения на вентилях U пр. =I∙R пр . Нагрузочный ток и напряжение нагрузки U н связаны между собой следующим выражением:

U н =U хх –I∙R тр. –I∙R ф –I∙R пр. , (6.16)

где U хх - напряжение холостого хода выпрямителя. Зависимость U н = f(I) называется внешней характеристикой выпрямителя и определяет границы изменений тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.

Рабочее задание

1. Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 1.1. Форма таблицы приведена на странице 3.

2. Используя один из четырех вентилей, имеющихся на панели блока вентилей, соберите цепь, изображенную на рис. 6.9 и предъявите цепь для проверки преподавателю.

Рис. 6.9. Однополупериодная схема выпрямления

3. Элементы фильтра выпрямителя отключите, для этого тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 - замкните.

4. Автоматическим выключателем АП включите блок питания; при этом должна загореться сигнальная лампа.

5. Подготовьте осциллограф к работе, для чего:

а) шнур питания соедините с разъемом ’’сеть’’, расположенным на задней стенке осциллографа;

б) шнур питания соедините с клеммами, отмеченными знаком ’’~220’’, расположенным на панели блока питания стенда;

в) тумблером ’’сеть’’ включите осциллограф, при этом на передней панели осциллографа должна загореться сигнальная лампа;

г) через 2-3 минуты отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки на экране осциллографа с помощью ручек «Яркость» и «Фокус».

6. Проведите калибровку коэффициента отклонения луча, для чего:

а) тумблер, отмеченный знаком « », « » поставьте в положение « »;

б) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «20 mV/см»;

в) тумблер, отмеченный знаком « », расположенный на правой стенке осциллографа, поставьте в положение « »;

г) подключите соединительный кабель к гнезду, отмеченному знаком «1мΩ50pF»;

д) подключите штекеры соединительного кабеля к гнездам калибровочного напряжения 1В, расположенным на правой стенке осциллографа и отмеченным знаком «1V» (к штекеру с коротким проводом) и знаком «^» (к штекеру с длинным проводом). При этом на экране появится изображение двух горизонтальных линий;

е) ручкой «Усиление» установите расстояние между линиями, равное 5 см;Внимание: ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМОК, БОЛЬШИХ УСИЛИЙ К РУЧКЕ «УСИЛЕНИЕ» НЕ ПРИЛАГАТЬ!

ж) отключите штекеры соединительного кабеля от гнезд калибровочного напряжения 1В;

з) тумблер, отмеченный знаком « » поставьте в положение «–»;

и) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «2 V/см»;

ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА 20 N В.

N -АМПЛИТУДА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ В САНТИМЕТРАХ.

к) штекеры соединительного кабеля подключите к вентилю.

Таблица 6.1

Средние значения выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе и амплитудные значения обратного напряжения на вентилях при работе в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах

ТИП ВЫПРЯМИТЕЛЯ	U, B	U ср,В	U m. обр. , В (определятся по осциллографу)	U ср / U	U m.обр /U ср
Однополупериодный
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Однополупериодный с Г-образным LC фильтром
Однополупериодный с П-образным LC фильтром
Двухполупериодный
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Двухполупериодный с Г-образным LC фильтром
Двухполупериодный с П-образным LC фильтром

7.Замкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда; при этом на панели блока вентилей должна загореться сигнальная лампа.

8.Тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 замкните.

9. Вольтметром магнитоэлектрической системы измерьте значение выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе U ср, а осциллографом - амплитудное значение обратного напряжения U m.обр. на вентиле. Показания приборов занесите в первую строку таблицы 6.1.

10. Замкните тумблер Т 1 . Показания приборов занесите во вторую строку таблицы 6.1.

11. Замкните тумблер Т 2 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

12. Разомкните тумблеры Т 1 и Т 3 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

13. Тумблер Т 1 замкните. Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

14. Штекеры соединительного кабеля переключите на нагрузочный резистор.

Для всех строк таблицы 6.1. зарисуйте или сфотографируйте осциллограммы выпрямленного напряжения.

15. Разомкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда, при этом на панели блока вентилей должна погаснуть сигнальная лампа.

Рис.6.10. Мостовая схема выпрямления

16. Соберите мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис.6.10, и предъявите ее для проверки преподавателю.

17. Выполните пункты 6-14.

18. Выключите блок питания стенда.

Обработка результатов

1. Сравните значения U ср /U с теоретическими значениями для соответствующих схем выпрямления. Сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину выпрямленного напряжения.

2. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на величину выпрямленного напряжения.

3. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на величину выпрямленного напряжения.

4. Объясните влияние дросселя на величину выпрямленного напряжения при использовании LC фильтров.

5. На основании анализа осциллограмм сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину пульсации выпрямленного напряжения.

6. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на пульсацию выпрямленного напряжения.

7. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на пульсацию выпрямленного напряжения.

8. Сравните измеренные значения обратного напряжения на вентиле и сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления и типа применяемого фильтра на величину обратного напряжения.

9. Сравните теоретические значения допустимого обратного напряжения, вычисленные по формулам (6.8), (6.14), при работе выпрямителей без фильтров со всеми экспериментальными значениями обратного напряжения и дайте рекомендации по выбору вентилей для работы выпрямителей с фильтрами.

10. Дайте мотивированное заключение о предпочтительности одной из исследованных схем выпрямления перед другими.

Контрольные вопросы

1. Что такое p-n переход?

2. При каком потенциале на p области p-n переход проводит ток?

3. Когда происходит пробой p-n перехода?

4. Почему p-n переход обладает односторонней проводимостью?

5. Зависит ли проводимость p-n перехода от величины приложенного напряжения?

6. Какое включение p-n перехода называется прямым?

7. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении обратного напряжения?

8. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении прямого напряжения?

2. Вторичные источники электропитания.
Основные схемы, параметры и характеристики

2.1. Структурная схема ВИЭПа

Выпрямительные устройства преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке. Они применяются в качестве вторичных источников электропитания (ВИЭП), структурная схема которого представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема ВИЭПа

Силовой трансформатор Тр понижает переменное напряжение сети U 1 частотой f=50 Гц до необходимого значения U 2 . Кроме того трансформатор осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки ВИЭПа. Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U 2 в выпрямленное пульсирующее напряжение одной полярности U d . Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения U d . Стабилизатор Ст поддерживает неизменным выходное постоянное напряжение U вых при колебаниях напряжения сети U 1 или изменении нагрузки ВИЭПа.

2.2. Основные схемы выпрямления

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.

В источниках питания постоянного тока средней (до 1000 Вт) и больше (свыше 1000 Вт) мощности используются выпрямительные устройства, запитываемые трёхфазным напряжением. Трёхфазный выпрямитель может быть выполнен НПО однополуперионной схеме на трёх диодах или по двуполупериодной схеме на шести диодах, которую называют трехфазной мостовой или схемой Ларионова.

2.3. Однофазные схемы выпрямления

2.3.1. Однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.2) является простейшей. Полупроводниковый диод VD1 , обладающий односторонней проводимостью, включается последовательно с нагрузкой R d .

Рис. 2.2. Однополупериодная схема выпрямления

Временные диаграммы (рис. 2.3) напряжений и токов выпрямителя показывают, что в такой схеме ток i d через нагрузку протекает только в течение положительного полупериода напряжения u 2 , поступающего со вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.3 а, б). В результате на нагрузке R d появляется пульсирующее напряжение u d положительной полярности (рис. 2.3 в). В отрицательный полупериод напряжения u 2 диод VD1 закрывается, ток i d =0 и диод оказывается под воздействием обратного напряжения u 2 , максимальное значение которого равно амплитуде U 2 m , т. е. напряжение на диоде (рис. 2.3 г).

Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузке u d описывается выражением в диапазонах и т.д. и может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих

Несинусоидальная переменная составляющая может быть представлена рядом гармоник, т. е. рядом синусоидальных составляющих с увеличивающейся с порядковым номером частотой и убывающей амплитудой. Тогда пульсирующее напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда Фурье

Рис. 2.3. Временные диаграммы однополупериодной схемы

который для однополупериодной схемы выпрямления запишется в виде выражения:

С помощью ряда Фурье определяются основные параметры схемы выпрямления.

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

Среднее значение пульсирующего тока в нагрузке определяется выражением: .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения характеризуется своим максимальным значением (основной гармоникой): , где – амплитуда основной гармоники.

Эффективность работы выпрямителя определяется величиной коэффициента пульсаций , который определяется отношением амплитуды основной гармоники U m к среднему значению выпрямленного напряжения

При этом частота пульсаций основной гармоники совпадает с частотой пульсаций выпрямленного напряжения и равна частоте напряжения сети:

Достоинство однополупериодной схемы – простота. Недостатки: большие габариты трансформатора, большой коэффициент пульсаций, низкая частота основной гармоники. Поэтому такая схема выпрямления находит ограниченное применение, в основном для питания цепей малой мощности и высокого напряжения, например: электронно-лучевых трубок.

2.3.2. Двухполупериодная схема со средней точкой

Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 2.4) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, диоды которых работают на общую нагрузку.

Рис. 2.4. Двухполупериодная схема со средней точкой

При подаче напряжения u 1 на первичную обмотку трансформатора на каждой половине вторичной обмотки возникают напряжения u 21 , u 22 (рис. 2.5 а). Вторичные обмотки W 21 и W 22 включены последовательно и согласно. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.5 б, в). В первый полупериод к диоду VD1 приложена положительная полуволна напряжения u 21 , в цепи диод - обмотка W 21 протекает ток i 21 (см. рис. 2.5 б). Диод VD2 в это время закрыт, так как к нему через открытый в это время диод VD1 приложено обратное напряжение обеих обмоток трансформатора (рис. 2.5 е). В следующий полупериод откроется диод VD2, и ток i 22 будет протекать по цепи диод - обмотка W 22 . (см. рис. 2.5 в). Таким образом, через сопротивление нагрузки Rd поочередно проходят в одном и том же направлении токи i 21 и i 22 . В результате на нагрузке R d образуются полуволны тока i d и напряжения u d одного и того же знака (рис. 2.5 г, д).

Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение однополупериодной схемы, является пульсирующим, т. е. может быть разложено в гармонический ряд Фурье.

Где – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке. При работе выпрямителя в режиме холостого хода, определяется выражением:

Рис. 2.5. Временные диаграммы для схемы со средней точкой

Отсюда действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

Величина выпрямленного тока I d определяется выражением:

Амплитуда тока во вторичной обмотке трансформатора а действующее значение .

В двухполупериодной схеме уменьшилась амплитуда основной гармонической составляющей до величины , а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:

.

Из временных диаграмм (см. рис. 2.5 а, д) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимального значения U 2 m два раза за период выпрямляемого напряжение. Поэтому частота пульсаций напряжения нагрузки U d равна удвоенной частоте напряжения сети:

В схеме выпрямления со средней точкой токи во вторичных обмотках протекают поочередно (в обмотке W 21 от конца к началу, а в обмотке W 22 от начала к концу), поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается и в первичной обмотке действует чисто синусоидальный ток, что приводит к снижению типовой мощности и лучшему использованию трансформатора. По сравнению с однополупериодной схемой выпрямления в два раза увеличилось значение выпрямленного напряжения U d и тока I d , уменьшился коэффициент пульсаций.

Недостатки схемы: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки, необходимость симметрирования вторичных обмоток для обеспечения равенства большое обратное напряжение на диодах, увеличение габаритов трансформатора.

2.3.3. Двухполупериодная мостовая схема

В рассматриваемой схеме (рис. 2.6) выпрямитель состоит из четырех полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение 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 с ).

Рис. 2.6. Двухполупериодная мостовая схема

Работа схемы показано на рис. 2.7, 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. 2.7а)

;

В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс тока i 13 будет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку R d и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.6). Форма этого тока будет повторять форму тока i 2 вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R d , импульс тока i 13 выделяет на ней напряжение u d (рис. 2.7д), 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 (рис. 2.7е).

При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 2.6). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут

Рис. 2.7. Временные диаграммы для мостовой схемы

находиться диоды VD2 и VD4 ,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 2.7ж).

В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R d будет проходить импульс тока i 24 (см. рис. 2.7в) такой же формы как импульс тока i 13 , выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 2.7д).

Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R d проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки (см. рис. 2.7г), под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 2.7д), такого же вида, как для схемы со средней точкой, 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:

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 уменьшилась по сравнению с однополупериодной схемой, а следовательно уменьшился и 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 схем со средней точкой , а для однополупериодной и 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 : В однополупериодной схеме через диод и нагрузку протекает одинаковый ток:

Мостовая схема является основной схемой для однофазных выпрямителей. Она может использоваться без трансформатора, то есть включаться непосредственно в цепь переменного тока, если напряжение сети обеспечивает требуемую величину выпрямленного напряжения. При работе с трансформатором импульсы токов i 13 и i 24 во вторичной обмотке трансформатора направлены навстречу друг другу, поэтому их постоянные составляющие компенсируются, а трансформатор работает в режиме без постоянного подмагничивания. По сравнению со схемой со средней точкой мостовая схема имеет меньшие габариты трансформатора, так как на вторичной стороне помещается только одна обмотка.

2.4. 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.

В зависимости от способа включения конденсатора и индуктивности различают следующие виды фильтров: емкостные (рис. 2.8 а), индуктивные (рис. 2.8 б), Г-образные (рис. 2.8 в), Г-образные (рис. 2.8 г).

Рис. 2.8. Электрические схемы сглаживающих фильтров

На рис. 2.9 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного выпрямителя при работе без фильтра (рис. 2.9 а), при включении емкостного (рис. 2.9 б) и индуктивного (рис. 2.9 в) фильтров.

Рис. 2.9. Временные диаграммы при работе: а) без фильтра;
б) с емкостным фильтром; в) с индуктивным фильтром

При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки . Зарядка конденсатора происходит током i d протекающим через диод в течение небольшого промежутка времени, когда мгновенное значение пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (рис. 2.9 а) выше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе). Постоянная времени заряда конденсатора определяется емкостью конденсатора фильтра и небольшим сопротивлением, равным сумме прямого сопротивления открытых диодов и приведенного ко вторичной обмотке активного сопротивления трансформатора. Когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 2.9 б). При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки постоянная времени разрядка конденсатора значительно больше постоянной времени его зарядки. При этом разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 2.9 б) 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.

При включении последовательно с нагрузкой индуктивного фильтра (рис. 2.8 б) изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит электродвижущую силу самоиндукции . В соответствии с принципом Ленца электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, а следовательно, и пульсации напряжения нагрузки (рис. 2.9 в). Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.

Величину индуктивности фильтра выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление было значительно больше величины сопротивления нагрузки .

Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные сглаживающие фильтры (рис. 2.8 в, г). Однако при использовании этих фильтров уменьшается величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке за счет падения части напряжения на активных сопротивлениях обмотки дросселя или .

2.5. 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 схемы со средней точкой , для мостовой – , – падение напряжения на открытом диоде.

Внешняя характеристика 1 (рис. 2.10) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром, а при включении в схему Г-образного LC фильтра получается характеристика 3. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .

Рис. 2.10. Внешние характеристики выпрямительного устройства

Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивление и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки . При включении Г – образного LC фильтра дополнительное снижение напряжения на нагрузке вызвано падением напряжения на последовательном включенном индуктивном фильтре.

2.6. Трехфазные схемы выпрямления

2.6.1. Трехфазная схема выпрямления со средней точкой

Трехфазную схему выпрямления со средней точкой (рис. 2.11) называют также трехфазной однотактной схемой, поскольку выпрямлению подвергается только одна из полуволн переменного напряжения каждой фазы. В трехфазную схему выпрямления входит трансформатор, первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки – только в звезду. Концы a , b , c вторичных обмоток трансформатора соединены с анодами трех диодов VD 1, VD 2, VD 3. Катоды диодов соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки, а вывод средней точки трансформатора – отрицательным полюсом.

Рис. 2.11. Схема выпрямления

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Первоначально допустим, что нагрузка схемы выпрямления активная, т.е. X d = 0. Для упрощения будем считать диоды и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико, активное сопротивление и индуктивность рассеяния X a обмоток трансформатора и индуктивность питающей сети принимаем равными нулю. Тогда переход тока с одного диода на другой считаем мгновенным. Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 2.12. Из временной диаграммы (см. рис. 2.12 а) видно, что напряжения u 2 a , u 2 b , u 2 c сдвинуты по фазе на одну треть периода (2p/3) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Диоды схемы работают попеременно по 1/3 периода (2p/3). В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Это справедливо для случая соединения диодов в катодную группу. Ток в каждом диоде протекает в течение 1/3 периода (2p/3) и прекращается тогда, когда потенциал анода работающего диода становится ниже потенциала катодов. Диод закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение u b (см. рис. 2.12 в). Переход тока от одного диода к другому происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г на рис. 2.12а). Выпрямленный ток i d проходит через нагрузку R d непрерывно и складывается из чередующихся анодных токовi a 1 , i a 2 , i a 3 . Мгновенное значение выпрямленного напряжения u d (см. рис.2.12б) в каждый момент определяется мгновенным значением напряжения той фазы, с которой соединен работающий диод. Выпрямленное напряжение u d представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений u 2 вторичной обмотки трансформатора Т. Кривая выпрямленного тока i d при X a = 0, X d = 0 повторяет кривую выпрямленного напряжения. Форма кривой тока i a в диоде VD 1 изображена на рис. 2.12в. Ток диода VD 1 в этом случае будет являться также и током i 2 a вторичной обмотки трансформатора. Кривая обратного напряжения u b 1 на диоде VD 1 формируется из участков синусоид линейных напряжений (u ab , u с a ), т.к. анод неработающего диода присоединен к одной из фаз, а катод через открытый диод – к другой фазе вторичной обмотки. Мгновенные значения междуфазного (линейного) напряжения соответствуют ординатам площади, заштрихованной на рис. 2.12а. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения u b 1 , на диоде VD 1 (см. рис. 2.12 в). S Т = = 1,345P d ,

где S 1 = 3U 1 I 1 = 1,21P d – расчетная мощность первичной обмотки трансформатора;

S 2 = 3U 2 I 2 = 1,48P d – расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора;

P d = U d I d – мощность в нагрузке.

В трехфазном выпрямителе со средней точкой имеет место явление вынужденного намагничивания магнитопровода трансформатора, т.к. токи вторичных обмоток трансформатора i 2 a , i 2 b , i 2 c содержат постоянную составляющую, равную I d , которая создает в каждом стержне магнитопровода однонаправленный поток вынужденного намагничивания трансформатора. Этот поток, пульсируя с тройной частотой по отношению к частоте питающей сети, замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора, вызывая их нагрев. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет вихревых токов, индуцируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Насыщение магнитопровода трансформатора приводит к резкому увеличению намагничивающего тока (тока холостого хода) трансформатора. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода. Однако это приводит к завышению массогабаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора необходимо соединять «треугольником». При этом в потоке вынужденного намагничивания остается только постоянная составляющая; переменная же составляющая с явно выраженной третьей гармоникой компенсируется потоками, которые создают токи высших гармоник с частотой, кратной трем, содержащиеся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающиеся по контуру, образованному этими обмотками. Расчетная мощность трансформатора при соединении обмоток «треугольником» не изменяется.

2.6.2.Трехфазная мостовая схема

Значительное количество выпрямителей трехфазного тока выполняется по мостовой схеме (схеме Ларионова), содержащей трехфазный трансформатор и выпрямительный блок из шести диодов (рис. 2.13.) Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться по схеме звезды или треугольника. Вместе с тем мостовая схема выпрямления может применяться и без трансформатора. Диоды в выпрямительном блоке разделяют на две группы:

1) катодную, или нечетную (диоды VD 1, VD 3, VD 5), в которой электрически связаны катоды диодов и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;

2) анодную, или четную (диоды VD 2, VD 4, VD 6), в которой электрически связаны между собой аноды диодов, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов.

Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других диодов в катодной группе, а в анодной группе − диод, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других диодов анодной группы.

Рис. 2.13. Схема выпрямления

Работу схемы можно проследить с помощью временных диаграмм рис. 2.14. Так как режимы работы схемы на активную и активно-индуктивную нагрузку отличается незначительно, то анализ работы схемы проведем для наиболее распространенной активно-индуктивной нагрузки, принимая X a = 0, X d = 0. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 2.14а), а диоды анодной группы − в момент пересечения отрицательных участков кривых фазных напряжений (точки к, л, м, н). Каждый диод открыт в течение одной трети периода . При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток на