7.1. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Любое электронное устройство является потребителем электрической энергии, которую оно может получить от источника питания. Все источники питания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным источникам питания относятся источники, преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую, т.е. генераторы постоянного и переменного тока, аккумуляторы, фотоэлементы, термогенераторы и т.д. Непосредственное использование энергии первичных источников затруднено, так как устройства рассчитаны на определенные значения питающего напряжения. Более того, они часто использует несколько различных по значению напряжений. Для получения необходимого набора напряжений применяются вторичные источники питания (ВИП).
Структурная схема такого источника показана на рис. 7.1.
Совершенствование современных ВИП привело к созданию импульсных блоков питания, в состав которых входят высокочастотные инверторы напряжения, имеющие более высокие КПД, чем ВИП представленные на рис. 7.1. Структурные схемы таких ВИП представлены на рис. 7.2. В основном используются две схемы импульсных блоков питания. На рис. 7.2, а показана схема импульсного ВИП, выходное напряжение которого регулируется изменением частоты работы высокочастотного инвертора в пределах от 20 кГц до 200 кГц. В схеме регулируемого импульсного ВИП (рис. 7.2, б), регулирование осуществляется изменением угла управления тиристоров управляемого выпрямителя.
 |
В обоих схемах выходное напряжение сравнивается с источником опорного напряжения (ИОН), а разность этих напряжений является сигналом для управляющего устройства, преобразующего его в изменение скважности сигналов или угла управления тиристоров.
7.2 ВЫПРЯМИТЕЛИ
Электронное устройство, преобразующее переменный по направлению ток в постоянный по направлению при изменяющейся полярности входного напряжения называется выпрямителем. По числу выпрямленных полуволн выпрямители бывают однополупериодные и двухполупериодные. По числу фаз питающего напряжения различают выпрямители однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные. Если для работы выпрямителя требуется одно питающее напряжение, то его называют однофазным. При питании выпрямителя от двух питающих напряжений (чаще всего сдвинутых по фазе на 180о), его называют двухфазным. Для питания трехфазных выпрямителей требуется сдвиг фаз питающих напряжений на 120о. Питание шестифазного выпрямителя осуществляется противофазными напряжениями трехфазной цепи.
Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рис. 7.3) пропускает через нагрузку обе полуволны.
 |
Напряжение на нагрузке выпрямителя находится по формуле:
Для получения заданного напряжения Uн на вторичной обмотке трансформатора должно быть напряжение:
Ток нагрузки во вторичной обмотке:
.
Вторичная обмотка трансформатора должна выдерживать ток:
.
Диод должен выдерживать обратное напряжение:
.
Частота пульсаций на нагрузке:
Мощность питающего трансформатора:
Коэффициент пульсаций выпрямителя - 0.67
 |
7.3. ОДНОФАЗНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя широко применяется для питания электронной аппаратуры. Основным ее достоинством является полное использование входного напряжения и значительно более высокий КПД, чем у однополупериодного выпрямителя. Схема содержит 4 диода. В первый полупериод ток проходит по диодам VD 1 и VD 3, а во второй полупериод по диодам VD 2 и VD 4. По нагрузке протекает ток постоянного направления – сверху вниз. На резисторе нагрузки обозначены плюс и минус потенциалы выпрямленного напряжения (рис. 7.4, а). На временных диаграммах (рис. 7.4, б) показаны напряжения U 2 на входе выпрямителя и Uн на нагрузке.
Напряжение на нагрузке выпрямителя находится по формуле:
.
Для получения заданного напряжения Uн на вторичной обмотке трансформатора должно быть напряжение:
.
Ток нагрузки во вторичной обмотке:
Вторичная обмотка трансформатора должна выдерживать ток:
.
Диод должен выдерживать обратное напряжение:
Частота пульсаций на нагрузке:
.
Мощность питающего трансформатора
.
Коэффициент пульсаций выпрямителя - 0.67.
Мощность используемого трансформатора по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя почти в 3 раза меньше, что свидетельствует о более высоком КПД и более полном использовании питающего напряжения.
7.4. ТРЕХФАЗНЫЙ ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
 |
Первичные обмотки трансформаторов могут включаться как в звезду, так и в треугольник, а вторичная обмотка включается по схеме «звезда». На ри с. 7.5, а показана схема такого выпрямителя. Он содержит три диода во вторичной обмотке трансформатора. Коэффициент пульсаций такого выпрямителя - 0,25, что свидетельствует о более высоком качестве выпрямленного напряжения. Из рис. 7.5, б видно, что пульсирующее напряжение на выходе выпрямителя не спадает до нулевого значения по сравнению с напряжением однофазных выпрямителей. Напряжение на нагрузке выпрямителя находится по формуле:
;
Для получения заданного напряжения Uн на вторичной обмотке трансформатора должно быть напряжение:
Ток нагрузки во вторичной обмотке:
Вторичная обмотка трансформатора должна выдерживать ток:
Диод должен выдерживать обратное напряжение:
Частота пульсаций на нагрузке:
Мощность питающего трансформатора
Коэффициент пульсаций выпрямителя - 0.25.
7.5. ТРЕХФАЗНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
В тех отраслях производства, где используется мощные потребители постоянного тока. Такой выпрямитель применяется наиболее часто. Достоинством схемы является использование обоих полупериодов трехфазного напряжения. Форма выходного напряжения близка к идеальной, а. коэффициент пульсаций для этой схемы составляет всего 0,057, что значительно ниже, чем для других типов выпрямителей. В любой момент времени проводят ток два диода. На рис 7.6, а представлены схема включения диодов в выпрямителе и диаграммы выходного напряжения.
 |
Недостатком предыдущей схемы является сильное намагничивание сердечника вследствие прохождения постоянного тока по вторичной обмотке трансформатора. Ток по обмоткам проходит только в одном направлении. Трансформатор намагничивается, что и снижает его КПД. В рассматриваемой схеме фактор намагничивания сердечника отсутствует, т.к. по вторичным обмоткам трансформатора протекает переменный ток в обоих направлениях.
Схема содержит 6 диодов. Происходит использование обоих полупериодов трехфазного напряжения.
Напряжение на нагрузке выпрямителя находится по формуле:
.
Для получения заданного напряжения Uн на вторичной обмотке трансформатора должно быть напряжение:
.
Ток нагрузки во вторичной обмотке:
Вторичная обмотка трансформатора должна выдерживать ток:
.
Диод должен выдерживать обратное напряжение:
.
Частота пульсаций на нагрузке:
.
Мощность питающего трансформатора
.
Коэффициент пульсаций выпрямителя - 0.057
Особенностью трехфазных выпрямителей является повышенное напряжение на нагрузке по сравнению с входным напряжением. Связано это с тем, что действующее значение напряжения на нагрузке приближается к амплитудному, так как трехфазный выпрямленный ток нагрузки не достигает нулевых значений.
При работе выпрямителей на активную нагрузку без фильтра отсутствует смещение фаз напряжения и тока нагрузки.
Основным качественным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций, который показывает, какую часть от действующего значения напряжения составляет напряжение пульсаций. Иногда коэффициент пульсаций выражают в процентах.
Коэффициент пульсаций таких выпрямителей находится по формуле:
где Кп – коэффициент пульсаций выпрямителя.
m – число фаз умноженное на число полупериодов.
Численные значения коэффициентов пульсаций, приведенные выше, вычислены по этой формуле. Формула не применима для однофазного однополупериодного выпрямителя.
Выпрямители должны выполнять одну функцию – преобразовать переменный по направлению ток входа в постоянный по направлению ток нагрузки, при этом необходимо иметь как можно меньшие пульсации на нагрузке.
Однофазный однополупериодный выпрямитель не рассмотрен в данном учебном пособии, так как применяется редко. Из всех выше приведенных выпрямителей минимальный коэффициент пульсаций имеет трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Он наиболее полно использует входное напряжение, при этом напряжение на нагрузке выше входного.
Среди однофазный выпрямителей наилучшими техническими характеристиками обладает двухполупериодный выпрямитель с коэффициентом пульсаций 0,67.
Основные сравнительные характеристики выпрямителей представлены в табл. 7.1.
Таблица 7.1.
Некоторые сравнительные характеристики выпрямителей при работе на активную нагрузку
| параметры выпрямителя | Тип выпрямителя | |||
| Однофазный со средней точкой | Однофазный мостовой | Трехфазный с нулев. точкой | Трехфазный мостовой | |
| Действующее значение напряжения вторичной обмотки U2 | 2´1.11 Uн | 1.11 Uн | 0.855 Uн | 0.43 Uн |
| Действующий ток вторичной обмотки I2 | 0.785 Iн | 1.11 Iн | 0,58 Iн | 0,82 Iн |
| Действующий ток первичной обмотки I1 | 1.11 Iн/n | 1.11 Iн/n | 0.48 Iн/n | 0.82 Iн/n |
| Расчетная мощность трансформатора Ртр | 1.48 Рн | 1.23 Рн | 1.35 Рн | 1.045 Рн |
| Обратное напряжение на диоде Uобр | 3.14 U2 | 1.57 U2 | 2.1 U2 | 1.05 U2 |
| Среднее значение тока диода Iср | 0.5 Iн | 0.5 Iн | 0.33 Iн | 0,33 Iн |
| Действующее тока диода Iд | 0,785 Iн | 0,785 Iн | 0,587 Iн | 0,58 Iн |
| Амплитудное значение тока диода Imak | 1.57 Iн | 1,57 Iн | 1,21 Iн | 1.05 Iн |
| Частота основной гармоники пульсаций | 2 fc | 2 fc | 3 fc | 6 fc |
| Коэффициент пульсаций выходного напряжения Кп | 0.67 | 0.67 | 0.25 | 0.057 |
где n – коэффициент трансформации трансформатора:
w 1 и w 2 – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно.