Однофазный выпрямитель с нулевым отводом
ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Структурная схема источников вторичного электропитания
Источниками вторичного электропитания называются устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, которым, в частности, является сеть переменного тока, в электрическую энергию питания различных видов потребителей этой энергии. Одним из таких потребителей энергии является электронная аппаратура, для которой, как правило, требуется постоянное напряжение высокой стабильности с определенным номинальным значением. Например, электронная аппаратура, использующая интегральные микросхемы, требует для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (± 5 - ± 15 В) при стабильности (± 5 – 10)%. Источники вторичного питания электронной аппаратуры строятся с использованием электронных приборов.
Рисунок 6.1. Структурная схема и временные диаграммы
напряжения источников вторичного питания
на входе и выходе его узлов
Структурная схема типового источника вторичного электропитания электронной аппаратуры приведена на рис.6.1. Она включает сетевой трансформатор (Т), выпрямитель (В), фильтр пульсаций (Ф) и стабилизатор выходного напряжения (СН). На этом же рисунке показана последовательность преобразования сетевого напряжения. Стабилизатором осуществляется не только изменение напряжения сети до необходимого уровня, но и гальваническая изоляция нагрузки от силовой сети. Выпрямитель, который является основным узлом источника вторичного питания, обеспечивает однонаправленное протекание тока, характеризующегося определенным уровнем пульсаций. В качестве вентиля в нем используются электронные приборы, обладающие свойством односторонней проводимости. Фильтром ослабляются пульсации напряжений на выходе выпрямителя. С этой целью используются фильтры низких частот на базе пассивных, а иногда и активных элементов. Стабилизатор напряжения предназначен для устранения влияния на выходное напряжение источника вторичного электропитания внешних воздействий, к числу которых относятся изменения напряжения сети и параметров нагрузки. В состав источников вторичного питания также могут включаться различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для контроля, автоматики и защиты.
В зависимости от вида источников первичного питания существуют однофазные и трехфазные выпрямители. Выпрямителями, которые называются управляемыми, также может осуществляться регулировка выпрямленного напряжения. Ниже рассматриваются схемы однофазных неуправляемых выпрямителей.
Однофазный выпрямитель с нулевым отводом
Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 6.2. В ее состав входит силовой трансформатор с расщепленной вторичной обмоткой, которая состоит из двух одинаковых половин. С каждой из половин этой обмотки снимаются напряжения, одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° относительно нулевой точки, а также два диода Д1 и Д2.
Рисунок 6.2. Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом
Принцип работы выпрямителя рассматривается для случая активной нагрузки RH . При этом используются временные диаграммы напряжений и токов, которые приведены на рис.6.3. На рис.6.3,а и 6.3,б представлены временные зависимости подводимого от сети напряжения u1 , поступающего на первичную обмотку трансформатора, и напряжений u2-1 и u2-2 , снимаемых с каждой из половин вторичной обмотки. Для получения полного представления о работе выпрямителя вполне достаточно рассмотреть процессы, происходящие в выпрямителе в интервале фаз от 0 до
, т.е. в течение одного периода подводимого напряжения.
Рисунок 6.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу
однофазного выпрямителя с нулевым отводом
В интервале фаз 0÷ , когда на входе трансформатора действует положительный полупериод напряжения, на анод диода Д1 подается положительное напряжение, а на анод диода Д2 – отрицательное. Поэтому диод Д1 находится в открытом состоянии, а диод Д2 – в закрытом. Ток в таких условиях протекает через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д1 и нагрузку RН. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении падением напряжения в открытом диоде совпадает с временной зависимостью напряжения u2-1, что иллюстрируется «положительной полуволной» на рис.6.3,в. Амплитуды напряжений
и
одинаковы.
В интервале фаз ÷
на входе трансформатора действует отрицательный полупериод напряжения, и в открытом состоянии находится диод Д 2, а в закрытом – диод Д 1. Ток протекает через нижнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д 2 и нагрузку. При этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в интервале фаз 0y
. Следовательно, в интервале фаз
÷
напряжение в нагрузке имеет также положительную полярность. На рис. 6.3,в, где приведена временная зависимость напряжения на выходе выпрямителя, указаны номера диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды питающего напряжения.
Ток , протекающий через нагрузку, определяется законом Ома
. (6.1)
Он имеет такую же временную зависимость, что и напряжение (рис.6.3,г).
Как видно из рис.6.3,в и 6.3,г, напряжение и ток на выходе выпрямителя имеет вид импульсов положительной полярности. Разложение периодических функций и
в ряд Фурье позволяет выделить постоянную и переменные составляющие напряжения и тока. Для потребителя выпрямленного напряжения важна постоянная составляющая, которую можно определить как среднее значение напряжения
.
Поскольку период выпрямленного напряжения соответствует интервалу фаз шириной , внутри которого напряжение изменяется как функция синуса, для его постоянной составляющей можно записать:
, (6.2)
где - действующее значение напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора. Аналогичное соотношение может быть записано для постоянной составляющей выпрямленного тока:
. (6.3)
Амплитуда тока в нагрузке
. (6.4)
Значения постоянных составляющих выпрямленных напряжения и тока на рис. 6.3,в и 6.3,г представлены горизонтальными сплошными прямыми.
Диоды находятся в открытом и закрытом состоянии попеременно, а через каждый диод ток протекает в течение одного полупериода питающего напряжения, как показано на рис.6.3,д, е. Поэтому величина среднего тока диода вдвое меньше среднего тока нагрузки.
. (6.5)
Амплитудные значения токов в диодах и нагрузке одинаковы.
Когда диод закрыт, к нему приложено отрицательное напряжение, величина которого изменяется по синусоидальному закону, как показано на рис.6.3,ж для диода Д1. Амплитуда этого напряжения равна удвоенной величине амплитуды напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора, так как к закрытому диоду подводится напряжение с двух крайних отводов этой обмотки. Следовательно, максимальная величина обратного напряжения, которую должен выдерживать диод,
. (6.6)
Соотношения (6.5) и (6.6) используются при выборе типа диода, который предполагается применить в выпрямителе.
Качество выпрямленного напряжения оценивается параметром, называемым коэффициентом пульсации , который определяется как отношение амплитуды
-ой гармоники выпрямленного напряжения к значению постоянной составляющей напряжения
. Величины амплитуд гармонических составляющих напряжения определяются разложением в ряд Фурье функции
Наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, для которой коэффициент пульсации
(6.8)
При частоте сети = 50 Гц частота первой гармоники на выходе выпрямителя составляет 100 Гц.