Пособие по теме "ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ"

СПб ГОУ СПО «Политехнический колледж городского хозяйства»

Орлов А.П.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СРЕДСТВ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 2012

ВВЕДЕНИЕ

Устройства радиоэлектроники широко используют источники питания различных типов. Так как рынок насыщен источниками электропитания, которые разработаны и изготовлены различными фирмами, то их приобретение легко и доступно.

В данном пособии рассматриваются линейные и импульсные вторичные источники питания. Представлены схемотехнические решения выпрямителей, стабилизаторов напряжения, как на транзисторах, так и на интегральных микросхемах, рассмотрены вопросы защиты источников питания при аварийных ситуациях.

Большое внимание уделяется импульсным источникам питания, которые в настоящее время находят широчайшее применение во всех областях техники, благодаря их особым преимуществам и, прежде всего, высокому коэффициенту полезного действия, малым габаритам и весу. Даны рекомендации по выбору типа источника.

Рассмотрены химические источники тока и вопросы их использования в современной технике.

Раздел 1: Общие сведения об источниках питания.

Источники питания (ИП) делятся на две большие группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. В состав электронной аппаратуры, могут входить источники первой и второй групп.

К ИП первичного электропитания относятся:

1. химические источники тока (гальванические элементы, батареи и аккумуляторы);
2. термобатареи;
3. термоэлектронные преобразователи;
4. фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи);
5. топливные элементы;
6. биохимические источники тока;
7. атомные элементы;
8. электромашинные генераторы.

Химические источники тока (ХИТ) используются в маломощных устройствах и как резервные источники питания. Такие источники отличаются высокой стабильностью и малыми пульсациями.

Термобатареи состоят из последовательно соединенных  термопар. Термобатареи используются в качестве ИП малой мощности, например для питания радиоприемников.

В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру, благодаря чему создается            термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника.

В термопаре, состоящей из полупроводников с n- и p- проводимостями, при нагревании спая количество электронов в полупроводнике       n-типа и число дырок в полупроводнике p-типа увеличивается. Горячий конец полупроводника p-типа заряжается отрицательно, а холодный конец -  положительно. В полупроводнике n-типа горячий конец заряжается положительно, а холодный конец – отрицательно. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно больше термо-ЭДС металлической пары.

Тепловая энергия может преобразовываться в электрическую с помощью термоэлектронных преобразователей, представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами. Преобразование осуществляется за счет  термоэлектронной эмиссии нагретых тел. За счет охлажденного катода электрон из катода движется к аноду под действием разностей температур. Термоэлектронные преобразователи делятся на низкотемпературные (1200 – 1600С) и среднетемпературные (1900 – 2000С). У среднетемпературных преобразователей КПД достигает 20%, что более чем в 2 раза превышает КПД термобатарей.

Фотоэлектрические преобразователи используются в качестве источника электрической энергии и осуществляют преобразование тепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую для питания маломощной радиоаппаратуры, а также для питания радиотехнической и    телеметрической аппаратуры на спутниках Земли и на автоматических межпланетных станциях.

Эти преобразователи просты по конструкции, надежны и имеют большой диапазон рабочих температур.

Действие топливных элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива).

В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам.

Биохимические источники тока являются разновидностью топливных элементов. Активные вещества в них создаются при помощи бактерий или ферментов. Атомные элементы применяются для питания маломощных устройств. Конструкция таких ИП различна в зависимости от принципа их действия.

В элементах, использующих - излучение, используется изотоп стронция 90. Он размещается на внутреннем электроде. Вторым электродом является оболочка выполненная из металла. Между ними находится диэлектрик. Под действием -лучей на электродах создаются заряды. Выходное напряжение в таких элементах составляет несколько киловольт. Внутреннее сопротивление источника очень велико. Достоинством таких             элементов является долговечность.

В элементах, использующих контактную разность потенциалов, используются электроды из пластинок различных материалов. В качестве пластин используется свинец и алюминий. Между электродами находится смесь инертного газа и радиоактивного трития. Напряжение источника зависит от контактной разности потенциалов.

В полупроводниковых источниках радиоактивное вещество наносится на поверхность полупроводника (кремния). Электроны, летящие с большой скоростью, выбивают из атомов полупроводника электроны. Между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает ЭДС. Внутреннее сопротивление таких элементов 100 – 1000 Ом, величина ЭДС на выходе составляет доли вольта, а КПД достигает нескольких процентов. Основным недостатком является недолговечность.

Электромашинные генераторы делятся на генераторы постоянного и переменного тока. Генераторы переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Их действие основано на использовании вращающегося магнитного поля. В синхронных генераторах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля.            В асинхронных генераторах частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП). ИВЭП используют энергию, получаемую от системы электроснабжения или источника первичного электропитания. Они предназначены  для организации вторичного электропитания радиоаппаратуры.

Классификация ИВЭП:

1. По типу питающей цепи:

1. ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока;
2. ИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети  переменного тока;
3. ИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока.

1. По напряжению на нагрузке:

4. ИП низкого (до 100 В) напряжения;
5. ИП среднего (от 100 до 1000 В) напряжения;
6. ИП высокого (свыше 1000 В) напряжения.

2. По мощности нагрузки:

7. ИП малой мощности (до 100 Вт);
8. ИП средней мощности (от100 до 1000 Вт);
9. ИП большой мощности (свыше 1000 Вт).

3. По роду тока нагрузки:

10. ИП с выходом на переменном токе;
11. ИП с выходом на постоянном токе;
12. ИП с выходом на переменном и постоянном токе.

4. По числу выходов:

13. одноканальные ИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока;
14. многоканальные ИП, имеющие два или более выходных напряжений.

5. По стабильности напряжения на нагрузке:

15. стабилизированные ИП;
16. нестабилизированные ИП.

Стабилизированные источники питания имеют  в своем составе, по крайней мере, один стабилизатор напряжения (тока) и могут быть разделены:

а)   по характеру стабилизации напряжения:

• ИП с непрерывным регулированием;
• ИП с импульсным регулированием.

б)   по характеру обратной связи:

• параметрические;
• компенсационные;
• комбинированные;

в)   по точности стабилизации выходного напряжения:

• ИП с низкой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность выходного напряжения более             2 – 5%);
• ИП со средней стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность не более 0,5 – 2%);
• ИП с высокой нестабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность до 0,1 – 0,5%);
• Прецизионные ИП (суммарная нестабильность менее 0,1%).

Примечание: к вторичным источникам питания (вторичным элементам) принято относить также аккумуляторы, хотя деление ХИТ на первичные и вторичные условно (аккумуляторы могут использоваться и для однократного разряда).

Параметры сети питания электроэнергией.  

1. Номинальное значение питающего напряжения U.

2. Относительная нестабильность питающего напряжения, характеризующая возможные пределы изменения его значения относительно номинального

верхний предел

и нижний предел

,

где Uпмакс и Uпмин – максимальное и минимальное значение напряжения питающей сети.

3. Внутреннее сопротивление первичного источника питания электроэнергией и питающей сети.

4. Уровень пульсаций питающего напряжения на выходе источника вторичного электропитания (для сети постоянного тока), который характеризует амплитуду (или эффективное значение) переменной составляющей напряжения, приложенного к ИП. Уровень пульсаций может также определяться отношением значения амплитуды (или эффективного значения) переменной составляющей питающего напряжения к его номинальному значению.

5. Частота, возможные искажения формы кривой питающего напряжения и возможная несимметрия по фазам питающей сети.

Параметры источников вторичного электропитания.

Номинальные выходные напряжения и токи.

Нестабильность выходных напряжений в процессе эксплуатации.

3. Максимальная, минимальная и номинальная мощность по каждой из выходных цепей ИП. Для источников питания с выходом на переменном токе задаются максимальное, минимальное и номинальное значения полной мощности (в вольт-амперах) S  = U  / Z   (где U – действующее значение напряжения на нагрузке, Z- модуль полного сопротивления               нагрузки) и соответствующие значения коэффициентов мощности  нагрузки cos =R/Z, где R-активное сопротивление нагрузки.

4. Номинальное значение тока, потребляемого ИП от сети электропитания или первичного источника питания электроэнергией. Для ИП, работающего в режиме изменяющейся нагрузки, задаются номинальное, максимальное и минимальное значения мощности, потребляемой от первичного ИП.

5. Для ИП, питающихся от сети (или источника) переменного тока, коэффициент мощности cos   = P   / S   ,где P  - активная составляющая полной мощности, потребляемой ИП от первичной сети. Для нагрузок постоянного тока cos   = 1, так как P   = S  .

Коэффициент полезного действия в номинальном режиме

,

где  n – число выходов (выходных цепей) ИП.

       Рнi.ном – номинальная мощность, передаваемая в нагрузку по i-му     выходу,

        Рп.ном – номинальная потребляемая мощность

7. Внутреннее сопротивление ИП, равное численному значению отношения изменения выходного напряжения Uвых к вызвавшему его изменению тока нагрузки (выходного тока)  Iвых (рис. 1.1.)

8. Уровень пульсаций выходного напряжения Uп  и/или коэффициент пульсаций Кп (рис. 1.2.)

Рис. 1.1. Нагрузочная характеристика ИП

1 – характеристика идеального источника питания;

2 – характеристика  реального источника питания.

Кп = Uп/Uo, где Uп, Uо – переменная и постоянная составляющие выходного напряжения. Иногда определяют Кп как отношение удвоенного значения Uп  к  Uо.

Рис. 1.2. Временная диаграмма выходного напряжения    источника питания с выходом на постоянном токе.

Линейные и импульсные источники вторичного электропитания. Стабилизированные ИП по характеру стабилизации напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) и импульсным регулированием.

В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, фильтруются и стабилизируется. Упрощенная функциональная схема линейного ИП представлена на  (рис.1.3.). В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты. Если ИП стабилизирован, то осуществляется непрерывное регулирование. Последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

Рис. 1.3. Упрощенная функциональная схема линейного стабилизированного источника питания.

В линейных стабилизаторах напряжения выходное напряжение всегда ниже, чем входное. Выходное напряжение Uвых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх. Мощность рассеиваемая стабилизатором  

PрасIвых(Uвх  Uвых), где Iвых – выходной ток (ток нагрузки).

В импульсных источниках питания отсутствуют первичный силовой трансформатор. На низких частотах (50 Гц- 100 Гц) он имеет большие габариты и вес. В импульсных источниках питания используется в качестве коммутатора мощный электронный ключ. После него стоит высокочастотный трансформатор, который преобразует ток и подает его на выпрямитель. Фильтр низкой чистоты отфильтровывает низкочастотную составляющую тока (рис.1.4).

Рис 1.4 Упрощенная функциональная

 схема импульсного источника питания

В – выпрямитель;

ФНЧ – фильтр низкой частоты;

КРЭ – ключевой регулирующий элемент;

Т – трансформатор.

Так как частота переключения в такой схеме высока ( от 20 кГц и выше) реактивные элементы ( трансформаторы и конденсаторы фильтров) имеют малые габариты. Такие ИП имеют высокий КПД (60% - 80%). Различают три типа импульсных источников питания использующих:

преобразователь  переменный ток/постоянный ток (AС-DС конверторы), преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь   постоянный ток/переменный ток (DC-AC преобразователь или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения.

Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут:

1. обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение;
2. инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения).

DC-DC конверторы применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напряжение в другое, обладающее высокой стабильностью.

Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого ИП либо преобразования напряжения батареи (1.5, 3.0, 4.5, 9, 12, 24 В)  в напряжение другого номинала.

Сравнение импульсных и линейных ИП. Несмотря на то, что линейные ИП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабильности по напряжению и току, малое время восстановления нормативного уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока нагрузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение являются: низкий КПД, значительные масса и габариты.

Импульсные ИП находят широкое применение главным образом благодаря их значительно большой удельной мощности и большой эффективности. Важным достоинством импульсных ИП является большое время удержания, то есть время, в течение которого выходное напряжение ИП остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения. Особую актуальность это приобретает в цифровых вычислителях и компьютерах.

Обобщенные результаты сравнения линейных и импульсных ИП представлены в табл. 1.1. 

Элементная база ИП. 

1. электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы);
2. полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, транзисторы;
3. трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные);
4. конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость);
5. линейные интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители низкой частоты);
6. интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и импульсные);
7. интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП    (АС-DС и DС-DС конверторы, однотактные и двухтактные         ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента  мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания);
8. элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодиоды, аналоговые и цифровые индикаторы);
9. предохранители (плавкие, биметаллические, электронные).

Современные ИП в своей конструкции в основном используют интегральные микросхемы.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на фиксированное значение напряжения, так и предназначенных для регулирования величины, выходного напряжения в достаточно широких пределах.

   Линейные стабилизаторы, помимо своей основной функции, могут:

1. следить за значением входного напряжения  и формировать контрольный сигнал, предназначенный для предупреждения об аварийной просадке напряжения на входе;
2. изменять выходное напряжение  и выходной ток под действием управляющего сигнала;
3. совместно с резервным источником питания (аккумулятором или батареей) обеспечивать бесперебойное питание устройства, что особенно важно для микропроцессорных систем.

        2. ЛИНЕЙНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

        2.1 Обобщенная структурная схема линейного источника питания

Обобщенная структурная схема линейного источника питания представлена на рис.2.1.

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема линейного источника питания

Пр- предохранители;

ГПП- гаситель переходных процессов;

Ф- фильтры;

С- стабилизаторы;

СТ- силовой трансформатор;

БВ- блок выпрямления;

Н-нагрузка.

Основными элементами устройства являются: силовой трансформатор, блок выпрямления, фильтр низкой частоты Ф2  и стабилизатор постоянного напряжения С2. Остальные функциональные узлы улучшают характеристики ИП и обеспечивают безопасность его эксплуатации. Рассмотрим элементы вышеприведенной структуры.

Гаситель переходных процессов. Это устройство, которое проводит ток как только напряжение на его выходах превосходит определенный предел. ГПП компактны, дешевы и способны гасить опасные импульсы тока в десятки и сотни ампер. Например ГПП фирмы Siemens S07K130  и S20K130 рассчитаны на пиковый ток 500 и 4000 А соответственно и переходят в проводящее состояние в случае, если действующее значение напряжения на их выводах превышает 130 В.

Фильтры. В качестве фильтра Ф1 используется простой линейный LC-фильтр. Он препятствует возможному радиоизлучению из силовых проводов и снижает уровень сетевых помех во входных цепях ИП. Фильтр Ф1 и ГПП довольно успешно  противостоят импульсным перенапряжениям, возникающим в питающей сети переменного тока, которые могут достигать величин нескольких кВ.

Типовая схема фильтра Ф1 показана на (рис. 2.2).

              Рис.2.2. Линейный сетевой фильтр фирмы Corcom.

     Обычно такие фильтры рассчитаны на ток величиной  несколько ампер и подавление помех порядка десятков децибел. Фильтр 3EDSC2-2 фирмы Corcom подавляет помехи на 30–40 дБ и через него может проходить ток величиной  до 3А. Фильтр 200JM6-2 фирмы Sprague рассчитан на ток до 6А, но подавляет помехи хуже (12–25 дБ).

Фильтр низкой частоты Ф2 предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Обычно это самый простой RC- фильтр с частотой среза порядка единиц герц. Чем ниже частота среза, тем эффективнее фильтр.

Стабилизаторы. Стабилизатор С1 предназначен для стабилизации переменного напряжения и в реальных ИП используется редко.

Стабилизатор С2 используется для стабилизации постоянного выходного напряжения. Самыми  простыми устройствами являются                   параметрические стабилизаторы, выполненные на нелинейных элементах (чаще всего стабилитронах). Лучшими параметрами обладают компенсационные стабилизаторы. Как уже отмечалось, в качестве таких стабилизаторов часто используются интегральные схемы с очень хорошими параметрами.

Силовой трансформатор. В большинстве ИП используют один или несколько трансформаторов. СТ в источнике питания решает две основные задачи: преобразование переменных напряжений и обеспечение гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. Бестрансформаторные источники питания ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению, например, водопроводным трубам и системам центрального отопления. Это создает потенциальную опасность, главным образом, для человека, эксплуатирующего устройство. При проектировании ИП целесообразно выбирать готовые унифицированные трансформаторы. Отечественной промышленностью выпускаются следующие основные типы трансформаторов питания:

1. анодные (ТА) и накальные (ТН);
2. анодно- накальные (ТАН);
3. для питания устройств на полупроводниковых (ТПП)
4. силовые (ТС).

Можно приобрести готовые трансформаторы и зарубежных фирм, например, Signal Transformer Company.

Рис.2.3. Принципиальная электрическая схема

 трансформаторов ТПП на напряжении 127 и 220 В

В состав трансформаторов входит вторичные, рабочие и компенсационные обмотки. Для того чтобы трансформатор можно было подключать к сети с различным напряжением, первичную обмотку делят на секции.  Подключение первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока напряжением 220 В показано на рис. 2.4. Изменяя число витков первичной обмотки можно изменять напряжения вторичных обмоток.

При разработке ИП часто используют последовательное  и параллельное включение вторичных обмоток. Увеличение напряжения достигается согласным включением обмоток (рис 2.5).

                              Рис.2.4. Подключение трансформаторов ТПП к сети

переменного тока напряжением 220 В

а – первый вариант,

б – второй вариант.

                         Рис.2.5. Последовательное согласное включение рабочей

и компенсационной обмоток трансформатора ТПП.

          При таком включении начало последующей обмотки (обозначается точкой) соединяется с концом предыдущей. При встречном включении обмоток происходит вычитание напряжений.

Для увеличения тока допускается параллельное включение обмоток, имеющих одинаковое напряжение (рис. 2.6).

    Рис.2.6. Параллельное включение обмоток трансформатора.

При выборе СТ необходимо учитывать:

1. мощность СТ должна превышать мощность, потребляемую нагрузкой,
2. напряжение питающей сети должно соответствовать напряжению первичной обмотки,
3. напряжение вторичной обмотки в стабилизированных ИП должно быть таким, чтобы на входе стабилизатора С2 минимальное значение постоянного напряжения превышало значение выходного напряжения (минимум на 3 – 5 В),
4. при необходимости регулирования выходного напряжения можно использовать СТ с несколькими вторичными обмотками (рис.2.7).

                                  Рис.2.7. Источник питания с дискретно изменяемым напряжением

на входе блока выпрямления.

         На вход блока выпрямления БВ подается дискретно изменяемое напряжение вторичной обмотки. Переключение  напряжения  производится коммутатором К, который управляется сигналами формируемыми специальной схемой управления в зависимости от требуемого уровня выходного напряжения.

Блок выпрямления.  Вентильные устройства, входящие в состав выпрямителей пропускают ток только в одном направлении. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды.

Предохранители. Функции предохранителей заключаются в защите ИП от сильных токов (перегрузок). В качестве предохранителей используются плавкие вставки (одноразовые), биметаллические и электронные (многоразовые).

Наибольшее распространение в качестве предохранителей получили плавкие вставки. Целесообразно выбирать предохранитель на ток, превышающий номинальный примерно на 50%.

Нагрузка. Определяет требования, предъявляемые к ИП:

  -    выходное напряжение;

• выходной ток;
• стабильность и пульсации выходного  напряжения;
• вид защиты выхода источника питания.

        2.2  Неуправляемые выпрямители

Для преобразования переменного напряжения в постоянное используется выпрямитель.

В состав выпрямителя входят трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается однонаправленное протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение.

Для сглаживания пульсаций  выпрямленного напряжения используется фильтр. Для регулирования и стабилизации выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают регулятор и стабилизатор.

Структурная схема выпрямителя без регулировки выходного напряжения приведена на рис 2.8.

Такие выпрямители используются:

• для питания электронных устройств некритичных к колебаниям питающего напряжения и уровню пульсаций;
• как функциональные силовые узлы стабилизированных источников питания, в том числе достаточно сложных и дорогих.

                               Рис.2.8. Структурная схема неуправляемого выпрямителя

СТ – силовой трансформатор;

БВ – блок выпрямителя;  

Ф   – фильтр.

           Основные схемы выпрямителей. Различают однофазные и трехфазные схемы выпрямителей. К однофазным выпрямителям относятся:

1) однополупериодная с одним диодом рис. 2.9 применяются в основном при мощностях в нагрузке до 10 – 25 Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинства схемы – минимальное число элементов, малая стоимость. Недостатки – низкая частота пульсаций (равна частоте питающей сети), плохое использование трансформатора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током;

              Рис.2.9.  Однополупериодная схема выпрямителя.

2. двухполупериодная со средней точкой (рис.2.10) применяется чаще всего при мощностях до 100 Вт.  Выпрямители, выполненные по данной схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций. В положительный полупериод сетевого напряжения Uc диод VD1 открыт (на его аноде положительный потенциал), а диод VD2 закрыт. При смене полярности сетевого напряжения (отрицательная полуволна) открывается диод VD2, а  диод VD1 закрывается.  

   

    +

   

    +

   

    +

Рис. 2.10 Двухполупериодная схема со средней точкой.

В каждый полупериод сетевого напряжения ток через нагрузку протекает в одном направлении и только через один диод. Потери мощности на вентильном комплекте примерно в два раза меньше по сравнению с мостовой выпрямительной схемой, в которой ток нагрузки в каждый полупериод  сетевого напряжения протекает через два последовательно включенных диода. К недостатку схемы можно отнести обязательное наличие средней точки у вторичной обмотки трансформатора. При необходимости среднюю точку можно получить, если у трансформатора есть две одинаковые вторичные обмотки (рис.2.11);  

3. мостовая двухполупериодная схема характеризуется более полным использованием мощности трансформатора. Применяется при мощностях в нагрузке до 1 кВт  и более (рис. 2.12). Достоинствами выпрямителей,  выполненных по этой схеме, является повышенная частота пульсаций, меньшее обратное напряжение на выпрямляющих диодах. К недостаткам относится повышенное падение напряжения на выпрямительном блоке и невозможность установки однотипных диодов на общем радиаторе без электроизоляционных прокладок.

Рис. 2.12. Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя.

В положительный полупериод напряжения вторичной обмотки U (положительный потенциал на верхнем по схеме выводе) диод VD2 открыт (на его аноде положительный потенциал). Ток вторичной обмотки протекает через VD2, конденсатор С и нагрузку, возвращаясь ко вторичной обмотке через диод VD3. В отрицательный полупериод напряжения U (положительный потенциал на нижнем по схеме выводе) ток протекает через VD4, C и  Rн, возвращаясь к вторичной обмотке через диод VD1.

В любой полупериод напряжения вторичной обмотки, ток через нагрузку протекает в одном направлении      (от точки А к точке В).

4. двухполярная выпрямительная схема позволяет получить два выпрямительных напряжения разной полярности (рис. 2.13).

Рис.2.13.  Двухполярная выпрямительная схема.

Особенностью схемы является то, что на ее выходе присутствуют два напряжения разной полярности относительно общего вывода (земли). Данную схему можно рассматривать как два мостовых двухполупериодных выпрямителя, включенных особым образом. Схема используется при построении двухполярных источников питания, в том числе и стабилизированных.

Симметричная схема с удвоением напряжения (рис.2.14) применяется в основном для питания маломощных устройств, требующих повышенного напряжения питания и потребляющих ток в несколько единиц или десятков миллиампер. К таким устройствам можно отнести рентгеновские трубки, электронные лампы и электронно-лучевые      трубки.

Рис.2.14  Симметричная схема с удвоением напряжения (схема Латура).

Принцип работы схемы основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий вентиль (диод). По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно, и их напряжение суммируется.

Рассматриваемая схема (рис.2.14) состоит из 2-х однополупериодных выпрямителей.

Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на конденсаторах С1 и С2, каждый из которых заряжается до напряжения  UC1= UC2 =           Um – Uпр  Um , где Um – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, Uпр – прямое напряжение на выпрямляющем диоде. При  Rн  ∞ выходное напряжение схемы практически равно 2Um. Реальное сопротивление нагрузки имеет конечное значение, поэтому заряд одного конденсатора сопровождается одновременным разрядом другого через Rн и выходное напряжение становится меньше 2Um. Для того чтобы напряжение на выходе было максимально приближено к 2Um необходимо выбирать емкости конденсаторов, удовлетворяющих  неравенству:           Rн C1 >> T, Rн C2 >> T, где Т-период напряжения сети.

5. несимметричная схема с удвоением напряжения показана на рис.2.15. Как видно из рисунка 2.15, два однополупериодных выпрямителя питаются от разных по величине  напряжений. В отрицательный полупериод изменения напряжения U конденсатор С1 заряжается через открытый диод VD1. При смене полярности напряжения U на противоположную (положительный полупериод) заряжается конденсатор C2 через открытый диод VD2, причем до напряжения примерно равного удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки 2Um. Как следует из рис.2.15, конденсатор С2 заряжается под действием суммы напряжений вторичной обмотки и конденсатора С1, который в течении предыдущего полупериода был заряжен до напряжения примерно равного Um.

Рис. 2.15. Несимметричная схема удвоения напряжения.

При выборе конденсаторов необходимо иметь в виду, что рабочее напряжение конденсатора С2 должно быть в два раза больше, чем рабочее напряжение С1.

Достоинством схемы является то, что один из выводов вторичной обмотки трансформатора соединен с отрицательным полюсом нагрузки и его можно заземлить.

Фильтры выпрямителей. Предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до требуемой величины. Важным показателем фильтра является коэффициент сглаживания:

,

где Кп(1)вх, Кп(1)вых     – коэффициенты пульсаций входного и выходного напряжений (по первой гармонике);

      Uвх,  Uвых    – постоянные составляющие входного и выходного напряжений;

      Um(1)вх, Um(1)вых   – амплитуды первой гармоники входного и выходного напряжений;

       =Uвых/Uвх     коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения фильтра;

       Кф= Um(1)вх/ Um(1)вых   – коэффициент фильтрации.

Среднее значение выпрямленного напряжения до и после фильтра равны (Uвх = Uвых), если пренебречь потерями в фильтре. При этом коэффициент сглаживания будет равен коэффициенту фильтрации.

Коэффициент пульсации выходного напряжения Кпвых для различного рода устройств колеблется в пределах от 0,001 до 0,2 – 0,5.

Характер нагрузки определяет выбор схемы и параметров фильтра. Выходное сопротивление фильтра должно быть минимальным при питании усилителей, работающих в режиме класса В или АВ. В противном случае в усиливаемом сигнале появятся искажения.

Все фильтры делятся на две группы: фильтры с пассивными          RLC-элементами и фильтры с активными элементами. RLC-фильтры просты  и надежны в эксплуатации. К их недостаткам относится большой вес и габариты, обусловленные наличием конденсаторов и дросселей.  Негативное влияние на питаемую РЭА могут оказывать магнитные поля рассеяния дросселя, выполненного с воздушным зазором.

Фильтры с активными элементами (транзисторами) не содержат сглаживающих дросселей и поэтому не имеют перечисленных недостатков. Кроме этого в транзисторных фильтрах применяются конденсаторы значительно меньшей емкости, чем емкости конденсаторов в аналогичных по параметрам фильтрах с пассивными элементами.

Рассмотрим основные типы пассивных фильтров (рис. 2.16).

Рис 2.16. Основные типы пассивных сглаживающих фильтров.

а – емкостной; б – индуктивный; в – Г-образный;

              г – П-образный; д – пробка; е – режекторный.

Действие емкостного фильтра в виде конденсатора, шунтирующего сопротивление нагрузки Rн иллюстрирует рис. 2.17.

Рис 2.17. Емкостной фильтр с активной нагрузкой

а – схема выпрямителя;

      б – временная диаграмма работы.

Выпрямленное напряжение вторичной обмотки представляет собой последовательность импульсов (полуволн) положительной полярности (кривая 1 рис.2.17). Конденсатор С в положительные полупериоды напряжения вторичной обмотки запасает энергию и отдает ее в нагрузку в промежутках между импульсами (кривая 2, рис.2.17). В результате пульсации напряжения на нагрузке значительно уменьшаются и изменение напряжения нагрузки Uн происходит в пределах от Uн.мин до Uн.

Емкостной фильтр наиболее эффективен при малых нагрузках         (Rн велико). Индуктивный фильтр напротив эффективен при больших нагрузках (Rн мало). В отличие от емкостного в индуктивном фильтре выпрямленный ток протекает не импульсами, а непрерывно, что облегчает режим работы диодов и трансформатора.

С целью обеспечения заданного коэффициента пульсаций при однополупериодном выпрямлении величину емкости конденсатора емкостного фильтра определяют из соотношения:

,

где  – круговая частота напряжения сети, питающей выпрямитель.

Так как амплитуда основной гармонической составляющей пульсации уменьшается в два раза, емкость фильтра может быть уменьшена почти в 4 раза.

.

Для индуктивного фильтра однофазного двухполупериодного выпрямителя

.

В случае, когда расчетные значения С и L получаются слишком большими, применяют Г- и П- образные фильтры (рис. 2.16 в,г).

В Г-образном фильтре емкость конденсатора выбирают из условия 1/(C) << Rн. При этом  

.

П-образный фильтр дает еще более высокий коэффициент сглаживания, равный произведению коэффициентов сглаживания двух его звеньев, представленных емкостью С1 и Г-образной цепочкой LC2.

В выпрямителях большой мощности применение П-образного фильтра нерационально, так как в этом случае выпрямитель работает на емкостную нагрузку, что ухудшает условия работы диодов и трансформатора.

Для получения высокого коэффициента сглаживания в мощных выпрямителях целесообразно применять каскадное включение  Г-образных фильтров. Результирующий коэффициент сглаживания при этом равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев.

При высоких значениях выпрямленного напряжения (5 – 10 кВ) или при малых значениях выпрямленного тока (до 10 – 20 мА) применяются   Г-образные RC-фильтры, в которых вместо индуктивности L включается активное сопротивление Rф. Параметры элементов таких фильтров определяются по формулам:

, ,

где Uвх, Uн – напряжение на входе фильтра и на нагрузке;

       Iн – ток нагрузки.

Такие фильтры имеют малые габаритные размеры и низкую стоимость.

Резонансные фильтры (рис.2.16, д,е) содержат LC-контур, настроенный на частоту первой гармоники. Если включить параллельный резонансный контур, в котором используется явление резонанса токов, последовательно с нагрузкой (фильтр-пробка), первая гармоника в цепь нагрузки не пойдет, так как сопротивление резонансного контура для этого тока очень велико. Такой фильтр эффективен при больших сопротивлениях нагрузки.

Для низкоомных нагрузок применяют последовательный резонансный контур (режекторный фильтр), включенный параллельно нагрузке. В режекторном фильтре используется явление резонанса напряжений. При этом фильтр шунтирует сопротивление нагрузки и через него проходит первая гармоника выпрямленного тока.

Для фильтрации выпрямленного тока по нескольким гармоническим составляющим используют многозвенные фильтры с последовательно-   параллельным включением элементарных резонансных звеньев, каждое из которых настроено на определенную резонансную частоту.