Источники электропитания

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Структурная схема однофазного выпрямителя показана на рис. 30. Трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения u₂ при заданном первичном напряжении u₁.

Выпрямитель

Рис. 30. Структура маломощного источника питания

Имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора. Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(wt) однополярных полуволн напряжения на u_d(wt) (рис. 31). Напряжение u_d(wt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений u_d(wt) – U_d. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Переменная составляющая уменьшается путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров.

Рис. 31

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают, соответственно, большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот, – постоянному току. Сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкост­ный характер.

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам на пассивных компонентах, кроме одиночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающего фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.

Рис. 32. Схема мостового выпрямителя (а); диаграммы входного
и выходного напряжений (б); диаграмма выпрямленного напряжения (в);
диаграмма напряжения на нагрузке (г)

Коэффициент пульсаций отражает отношение амплитуды n-й гармоники пульсации к среднему значению напряжения U_d. Его (q₁) обычно определяют по амплитуде первой гармоники пульсации как наибольшей и труднофильтруемой.

,

где m – эквивалентное число фаз выпрямления (для схемы m = 2 и q₁ = 0,67). Для схемы амплитуда первой гармоники пульсации составляет 67 % от U_d.

Поскольку ток I_d = U_d/R_н распределяется поровну между парами диодов, ток I_a каждого диода в рассматриваемой схеме также находят из соотношения
I_a = I_d/2 . Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂:

u_обр = (2)^1/2u₂ = (p/2)U_d .

Выражение для действующего значения тока I₂ обусловлено тем, что ток i₂ синусоидальный, а не пульсирующий:

I₂ = U₂/R_н = [p/(2×2^1/2)]U_d/R_н = [p/(2×2^1/2)]I_d .

Ток I₁ связан с токами I₂ и I_d соотношением

I₁ = I₂/n = [p/(2×2^1/2)]I_d/n ; где n = U₁/U₂ – коэффициент трансформации.

Расчётные мощности обмоток одинаковы: S₁ = S₂ = S_т = 1,23P_d (P_d – мощность на диоде).

Таким образом, преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов.

Анализ принципа действия и режимов работы маломощных выпрямителей однофазного тока проводился в предположении, что активные сопротивления обмоток трансформатора, подводящих проводов, сглаживающего дросселя, а также падения напряжения на диодах равны нулю. В связи с этим приведенные соотношения следует считать приближенными для реальных схем, поскольку вследствие падений напряжения на элементах от протекания токов реальное среднее значение выпрямленного напряжения U_d получается меньше и уменьшается с ростом тока нагрузки I_d. Это явление отражает внешняя характеристика выпрямителя – зависимость U_d = F(I_d).