Управляемые (регулируемые) выпрямители

Выпрямители

В аппаратуре, использующей однофазную сеть, применяются однофазные выпрямители. Все типы выпрями­телей делятся на неуправляемые и управляемые (регулируемые). Неуправляе­мые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые — на тиристорах. По форме выпрямленного напряжения выпрямители делятся на однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). На выходе выпрямителей источников вторичного электропитания устанавливаются сглаживающие фильтры. Часто они органически вписываются в структуру выпрямителя.

Рассмотрим принцип действия простейшего маломощного однофазного однополупериодного выпрямителя на выпрямительном диоде VD (нелинейный элемент) и RС - фильтре, включенных последовательно (рис.1.2, б).

На вход выпрямителя подается переменное напряжение с частотой сети с вторичной обмотки сетевого трансформатора. За счет нелинейной вольт- амперной характеристики диода (за счет вентильных свойств выпрямительного диода) в его цепи протекает импульсный ток косинусоидальной формы (рис.1.2, а). При положительной полуволне напряжения на входе выпрямителя конденсатор С фильтра быстро заряжается практически до амплитудного значения напряжения через малое внутреннее сопротивление открытого диода VD. При отрицательной полуволне входного напряжения диод закрыт, и конденсатор медленно разряжается через сопротивление нагрузки R_Н. При этом на нагрузке действует практически постоянное напряжение с небольшими пульсациями.

Этот процесс с точки зрения спектрального анализа можно объяснить так. Спектр тока в цепи диода состоит из постоянной составляющей, первой (основной) гармоники, имеющей частоту сети, и высших гармоник, имеющих кратные частоты.Параметры фильтра выбираются таким образом, чтобы для первой гармоника (следовательно, и для всех высших гармоник) сопротивление фильтра было минимальным. При этом все гармонические составляющие, включая первую, замыкаются через конденсатор (отфильтровываются), а постоянная составляющая выделяется на нагрузочном сопротивлении.

Уровень пульсаций у источников вторичного питания оценивают коэффициентом пульсаций К_П. Коэффициент пульсаций К_П характеризует качество выпрямленного напряжения и определяется как отношение амплитуды первой (самой большой) гармоники выпрямленного напряжения U_П1 (пульсаций) к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

.

Однополупериодные выпрямители имеют малый выпрямленный ток, сильные пульсации (изменения амплитуды) выходного напряжения и поэтому используются редко.

Широкое применение в маломощных источниках питания находят две схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей — с нулевым выводом и мостовая (далее слово однофазный будет опущено, так как речь пойдет только об однофазных устройствах).

Выпрямитель с нулевым выводом (рис. 1.3)можно упрощенно рассматривать как схемное сочетание двух однофазных однополупериодных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями и работающих на общую нагрузку. Элементами выпрямителя являются диоды VD1, VD2, включенные в цепидвух симметричных вторичных полуобмоток сетевого трансформатора Т, имеющих нулевой (общий) вывод. Параллельно нагрузке R_н включается конденсатор фильтра.

Во время действия положительного полупериода напряжения (полярность напряжения на вторичных обмотках показана на рис.1.3 знаками) диод VD1 открыт («+» е₁ действует на анод диода, а «-» через сопротивление нагрузки на катод диода) и через него протекает ток косинусоидальной формы, создавая падение напряжения на нагрузке (рис. 1.3,б). Диод VD2 в это время закрыт («-» е₂ действует на аноде, а «+» е₁ через открытый диод VD1 на катоде), причем закрывающее напряжение равно сумме мгновенных значений напряжений е₁ и е₂, а его максимальное значение – сумме их амплитуд.

,

где - действующее значение напряжения на одной из обмоток (измеряется прибором, меньше амплитудного значения в раз).

Во второй полупериод напряжения открыт диод VD2, а диод VD1 закрыт.

В результате по нагрузке протекает постоянный ток, представляющий собой сомкнутую последовательность импульсов косинусоидальной формы.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_Н легко находится как постоянная составляющая спектра периодической последовательности косинусоидальных импульсов с периодом

.

Расчеты показывают, что коэффициент пульсаций выпрямителя с нулевым выводом равен 0.67 (67%).

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.1.4)содержит четыре диода VD1...VD4, соединенных по схеме моста. В одну диагональ моста через трансформатор Т (или непосредственно) включено сетевое напряжение, а в другую — нагрузка.

Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. В первом полупериоде (интервал 0 — p), когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет положительную полярность, от­крыты диоды VD2,VD4,и через нагрузку протекает импульсный ток косинусоидальной формы. Диоды VD1,VD3 при этом закрыты, поскольку напряжение на их катодах положительно. В следующий полупериод напряжение становится отрицательным, и ток проводят диоды VD1,VD3. Диоды VD2,VD4 при этом закрыты.Таким образом, выпрямленный ток протекает всегда через нагрузку в одном направлении.

Мостовой выпрямитель и выпрямитель с нулевым выводом с точки зрения принципа работы полностью идентичны.

Их сравнительный анализ показывает, что мостовая схема имеет два важных преимущества: 1) в два раза меньше обратное (запирающее) напряжение на диодах; 2) более простой (с одной вторичной обмоткой) трансформатор; такой выпрямитель можно непосредственно включать в сеть.

С другой стороны, поскольку в мостовой схеме диоды проводят ток попарно, то и потери в этой схеме будут больше.

В отдельных радиотехнических устройствах применяют специальные схемы выпрямителей.

Мостовой выпрямитель с двумя симметричными (разнополярными) напряжениями (рис. 5,а)широко применяют в современных радиотехнических устройствах, в частности, для питания схем на операционных усилителях (ОУ), требующих биполярного (двухполярного) питания. Данный выпрямитель можно рассматривать как устрой­ство, содержащее две параллельно соединенные схемы с нулевым выводом. Одна выпрямительная схема состоит из полной вторичной обмотки транс­форматора T и пары диодов; другая — из той же обмотки и диодов VD3, VD4. Равные по величине, разнополярные выпрямленные напряжения U_Н1 и U_Н2 на выходах схем вместе составляют суммарное постоянное напряжение такого выпрямителя.

Однофазный выпрямитель с умножением напряжения (схема Латура) — специфическая разновидность схем выпрямления с емкостным фильтром (рис.1.5, б), работающих исключительно на высокоомную нагрузку. Подобные выпрямители позволяют получать на нагрузке суммарные напряжения нескольких простей­ших выпрямителей (до нескольких киловольт).

Принцип работы выпрямителя с удвоением состоит в следующем. При действии отрицательной полуволны входного напряжения конденсатор С1 заряжается через малое сопротивление открытого диода VD1 почти до амплитудного значения, диод VD2 в указанный полупериод входного напряжения закрыт. При действии положительной полуволны входного напряжения конденсатор С1 разряжается через малое сопротивление открытого диода VD2 и нагрузку, при этом напряжение конденсатора суммируется с положительной полуволной входного напряжения (два источника напряжения включены последовательно).

Такие устрой­ства применяют, например, для питания кинескопов телевизионных приемни­ков.

Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в выпрямленном напряжении всегда нежелательно. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры (далее фильтры), которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В зависимости от на­значения электронной схемы коэффициент пульсаций напряжения пита­ния не должен превышать определенных величин. Например, для усилителей допустим коэффициент пульсаций напряжения питания не выше 10 ^-4 … 10 ^-5, для автогенераторов 10 ^-5 … 10 ^-6.

В основу сглаживающих фильтров (фильтров нижних частот, ФНЧ) заложены реактивные элементы - конденсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое сопротивления для переменного тока, и наоборот, большое и малое сопротивления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются в источниках питания параллельно нагрузке R_н, а дроссели - последовательно с ней. Емкостные фильтры используются в слаботочных схемах (в выпрямителях с высокоомной нагрузкой), а индуктивные фильтры – в выпрямителях с низкоомной нагрузкой.

Очень часто в источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров (рис.1.6): емкостной, индуктивный, Г - образный и П-образный LС - фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе

.

Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество выпрямленного напряжения (меньше пульсаций) и тем эффективнее работает фильтр.

Кроме рассмотренных выше пассивных сглаживающих фильтров в современных источниках питания широко используются активные фильтры. Активные фильтры строятся с использованием активных элементов, как правило, транзисторов. Простейшие варианты активных фильтров представлены на рис. 1.7, а, б.

Активный фильтр и нагрузка включаются последовательно, так что их сопротивления образуют частотно-зависимый делитель (рис.1.7, в).

Сопротивление фильтра R_Ф имеет малую величину для постоянной составляющей выпрямленного тока, и значительную величину для переменных составляющих (первой и высших гармоник) выпрямленного тока.

Постоянная составляющего тока, протекая по делителю, создает малое падение напряжения на R_Ф, и большое (полезная часть выпрямленного напряжения) – на сопротивлении нагрузки. Напротив, переменные составляющие выпрямленного тока создают большое падение напряжения на сопротивлении фильтра и малое (напряжение пульсаций) – на нагрузке. За счет указанного частотно-зависимого действия обеспечивается значительное уменьшение коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке.

Для повышения токовой нагрузки активных фильтров в их структуре применяются двойные или тройные составные транзисторы.

Управляемые (регулируемые) выпрямители

В последние годы в источниках вторичного питания применяют управ­ляемые (регулируемые) выпрямители, содержащие управляемые вентили. Такие выпрямители позволяют регулировать в широких пределах выпрямленное напряжение или ток. Управляемые выпрямители относят к мощным пре­образователям электрической энергии, и в них чаще всего используются тринисторы (управляемые тиристоры). На­помним, что управляемый тиристор — полупроводниковый прибор, со­держащий три вывода: катод, анод и управляющий электрод и имеющий два ус­тойчивых электронных состояния включено и выключено. На рис. 1.8, а представлена упрощенная схема однофазного управляемого выпрямителя и временные диаграммы его работы (рис. 1.8, в).

При отсутствии управляющего напряжения с блока управления (БУ) тиристор включается, если напряжение на его аноде превышает напряжение включения U_ВКЛ (рис.1.8,б). На нагрузке (см. эпюр U_ВЫПР(t)) будут действовать импульсы, длительность (следовательно, и постоянная составляющая) которых зависит от моментов включения тиристоров. Путем подачи управляющих импульсов можно управлять моментом включения тиристора, а следовательно, длительностью выходных импульсов тока и значением выпрямленного напряжения на нагрузке. Тиристоры в схеме работают поочередно, для чего БУ поочередно вырабатывает управляющие импульсы (рис.1.8, в).

Величина падения напряжения на открытом и насыщенном тиристоре не превышает единиц вольт, а ток насыщения может достигать сотен и тысяч ампер.Поэтому область использования управляемых выпрямителей – сильноточные источники питания.

Существует большое число схем управляемых выпрямителей, специфика которых отражает назначение блоков вторичного питания.

Стабилизаторы напряжения

Радиоэлектронное устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки, называется стабилизато­ром напряжения. В радиоэлектронных устройствах кроме стабилизаторов напряжения применяются стабилиза­торы тока. Стабилиза­торы тока автоматически поддерживают с заданной точностью требуемую величину постоянного тока в нагрузке при изменении напряжения питания или сопротивления нагрузки.

Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия (ключевые стабилизаторы). В ряде случаев используются стабилизаторы переменного тока, которые здесь не рассматриваются.

Параметрический стабилизатор напряжения(ПСН)включает в себя балластный резистор R_Би полупроводниковый стабилитрон VD, напря­жение на котором остается практически постоянным при изменении в некоторых пределах протекающего через него тока (рис. 1.9). Нагрузка R_Н включается параллельно стабилитрону.

Эффективность действия стабилизаторов оценивают коэффициентом ста­билизации, показывающим, во сколько раз относительное приращение выход­ного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

Основные преимущества ПСН — простота конст­рукции, небольшое количество элементов и высокая надежность, а недостатки — малый коэффициент стабилизации (менее 25) и низкий КПД, малые токи стабилизации, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Принцип действия компенсационных стабилизаторов напряжения (КСН) основан на том, что любое изменение напряжения на нагрузке (вследствие изменения входного напряжения или тока нагрузки) передается на регулирующий элемент, который автоматически препятствует изменению напряжения на нагрузке. КСН по принципу действия является системой с отрица­тельной обратной связью (ООС). Данные устройства делятся на стабилизаторы непрерывного дей­ствия и ключевые (импульсные) стабилизаторы.

Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широ­ко используют в источниках вторичного питания (рис. 1.10).

В состав последовательного стабилизатора напряжения входит: регулирующий элемент (например, транзистор), включенный последовательно с нагрузкой; измерительный элемент, включаемый параллельно нагрузке; усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал рассогласования, который служит управляющим для регулирующего элемента.

Принцип работы КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента таким образом, чтобы напряжение на нагрузке получило минимальные изменения.

Пусть напряжение на входе КСН возросло, что вызывает возрастание напряжения на нагрузке. Измерительный элемент сравнивает напряжение на нагрузке (или часть этого напряжения) с опорным стабильным напряжением, источник которого находится в измерительном элементе. Достаточно часто опорное напряжение формируется с помощью параметрического стабилизатора напряжения или стабилизаторов напряжения в микросхемном исполнении. Возникающий на выходе измерительного элемента сигнал рассогласования усиливается в усилителе постоянного тока и действует на регулирующий элемент, увеличивая его сопротивление. За счет возросшего сопротивления падение напряжения на регулирующем элементе возрастает, а на нагрузке напряжение остается в заданном диапазоне значений.

На рис.1.11 приведены два варианта схем простейших компенсационных стабилизаторов напряжения.

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора с усилителем сигнала рассогласования на операционном усилителе (ОУ) может достигать несколько тысяч единиц.

Основной недостаток всех компенсационных стабилизаторов непрерывного действия — невысокий КПД (до 50 %), что связано с падением части входного напряжения на регулирующем элементе. Для устранения указанного недостатка были разработаны схемы импульсных (ключевых) стабилизаторов.

Импульсные (ключевые) cтабилизаторы делятся на три основных типа: повышающие, понижающие и инвертирующие. Название стабилизатора отражает одну из решаемых задач.

В понижающем импульсном стабилизаторе (рис.1.12) регулирующим элементом является транзистор VT, управление ключевым режимом работы которого производится блоком управления (БУ).

В схеме стабилизатора используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R_H. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей введен конденсатор С. В схеме имеется также диод VD (обратный диод), с помощью
которого создается контур для протекания постоянного тока через индуктивность и нагрузку при закрытом транзисторе VТ.

Блок управления периодически (период Т) подает на базу транзистора импульсы, действие которых переводит транзистор в ключевой режим (полностью открытый транзистор). В течение длительности импульса управления транзистор открыт, и энергия от выпрямителя передается через дроссель Lв нагрузку. По мере нарастания тока происходит заряд конденсатора С, а в индуктивности дросселя L накапливается избыточная энергия.

В течение паузы между импульсами, когда транзистор закрыт, запасен­ная в индуктивности дросселя энергия через обратный диод поступает в нагруз­ку. Такой процесс возврата накопленной в реактивном элементе энергии полу­чил название рекуперации (от лат. — возвращение). Во время действия очередного импульса транзистор вновь открывается, и процесс повториться.

Среднее значение выходного напряжения ключевого стабилизатора зависит от соотношения интервалов открытого (τ) и закрытого ( Т – τ ) состояния транзистора, которыми можно управлять:

Поэтому импульсные стабилизаторы напряжения часто используют в ка­честве преобразователей постоянного напряжения одной амплитуды в другую.

В импульсных стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, что повышает их КПД до 90 %.

Стабилизаторы, в которых используется изменение напряжения стабилизации в зависимости от длительности управляющих импульсов, называются импульсными стабилизаторами с широтно – импульсной модуляцией (стабилизаторы с ШИМ).

В настоящее время широкое применение находят простые и удобные в использовании интегральные компенсационные стабилизаторы. Эти стабилизаторы представляют собой отдельные интегральные микросхемы (например, серий КР142ЕН и КР275ЕН – жаргон от номенклатурного обозначения - «крены») с фиксируемым и регулируемым выходным напряжением от 3 до 30 и более вольт. Входные и выходные напряжения в стабилизаторе могут быть как однополярными, так и двухполярными величинами. Схемотехнически структура интегральных стабилизаторов аналогична структуре стабилизаторов на дискретных элементах с ОУ, однако в них дополнительно введены цепи защиты от перегрузок и короткого замыкания.

Для повышения токовых нагрузок блоков питания с интегральными стабилизаторами параллельно последним включают мощные транзисторы, защищающие ИМС от перегрузок.

Для обеспечения требуемого теплового режима микросхем (как и мощных транзисторов) их устанавливают на специальные радиаторы.

Следует заметить, что все стабилизаторы напряжений (токов) совместно с фильтрами дополнительно уменьшают пульсации напряжения на нагрузке, то есть выполняют функции фильтров, дополняя последние. Часто фильтр является составной частью стабилизатора напряжения.

Инверторы напряжения

Тенденции микроминиатюризации и снижения энергопотребления радиоэлектронных устройств привели к необходимости создания источников питания, построенных по нетрадиционным схемам.

Основным ограничением трансформаторных (традиционных) блоков питания являются масса и габариты сетевого трансформатора: чем выше потребляемая мощность нагрузки, тем выше масса и габариты сетевого трансформатора.

Существенно уменьшить массо-габаритные характеристики блока питания можно, если повысить частоту питающего напряжения, как это делается в авиационной технике, где используется бортовая сеть 115 В 400 Гц.

Из-за невозможности изменять частоту сети, используется схема бестрансформаторного включения выпрямителя с дальнейшим преобразованием (инвертированием) постоянного (выпрямленного) напряжения (рис.1.13).

Основным элементом такого блока питания является инвертор, который представляет собой высокочастотный генератор с внешним возбуждением или самовозбуждением (например, автогенератор с индуктивной обратной связью и насыщающимся сердечником, двухтактный блокинг – генератор, мультивибратор с трансформаторным выходом и др.). Теоретически такой генератор должен вырабатывать сигнал импульсной формы, близкой к меандру.

В схеме используется трансформатор, но не силовой, как в традиционной схеме, а импульсный, являющийся элементом нагрузки генератора импульсов, работающего на частоте единиц или десятков килогерц. Это существенно снижает массу и габариты трансформатора, делая их некритичными.

Обмотки этого трансформатора используются для формирования переменного выходного напряжения частоты следования импульсов, которое подвергается выпрямлению, фильтрации и стабилизации. Вторичных обмоток у импульсного трансформатора несколько, что позволяет сформировать напряжения различных номиналов.

Один из основных недостатков импульсного блока питания - нахождение всех элементов схемы вплоть до инвертора под опасным напряжением питания сети.

Контрольные вопросы

1. По каким двум структурным схемам проводят построение электропреобразовательных устройств?

2. Для чего предназначены электропреобразовательные устройства?

3. Поясните принцип работы однофазного выпрямителя с нулевым выводом и мостового выпрямителя.

4. Какие типы фильтров используют в источниках вторичного питания?

5. Изобразите выпрямитель с двукратным умножением напряжения и поясните принцип его работы.

6. Как определяется коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя?

7. Поясните принцип работы параметрического стабилизатора.

8. Поясните малое значение к.п.д. у параметрического стабилизатора напряжения.

9. Приведите структурную схему компенсационного стабилизатора напряжения (КСН) непрерывного действия и поясните принцип его работы.

10. Какой из стабилизаторов имеет больший КПД - непрерывного действия или импульсный?

11. Какие факторы ограничивают максимальное значение тока на выходе КСН непрерывного действия?

12. Можно ли отказаться от фильтра, если в схеме блока питания используется КСН?