Вторичные источники электропитания.
Основные схемы, параметры и характеристики
2.1. Структурная схема ВИЭПа
Выпрямительные устройства преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке. Они применяются в качестве вторичных источников электропитания (ВИЭП), структурная схема которого представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема ВИЭПа
Силовой трансформатор Тр понижает переменное напряжение сети U1 частотой f=50 Гц до необходимого значения U2. Кроме того трансформатор осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки ВИЭПа. Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U2 в выпрямленное пульсирующее напряжение одной полярности Ud. Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения Ud. Стабилизатор Ст поддерживает неизменным выходное постоянное напряжение Uвых при колебаниях напряжения сети U1 или изменении нагрузки ВИЭПа.
2.2. Основные схемы выпрямления
В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.
В источниках питания постоянного тока средней (до 1000 Вт) и больше (свыше 1000 Вт) мощности используются выпрямительные устройства, запитываемые трёхфазным напряжением. Трёхфазный выпрямитель может быть выполнен НПО однополуперионной схеме на трёх диодах или по двуполупериодной схеме на шести диодах, которую называют трехфазной мостовой или схемой Ларионова.
2.3. Однофазные схемы выпрямления
2.3.1. Однополупериодная схема выпрямления
Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.2) является простейшей. Полупроводниковый диод VD1, обладающий односторонней проводимостью, включается последовательно с нагрузкой Rd.
Рис. 2.2. Однополупериодная схема выпрямления
Временные диаграммы (рис. 2.3) напряжений и токов выпрямителя показывают, что в такой схеме ток id через нагрузку протекает только в течение положительного полупериода напряжения u2, поступающего со вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.3 а, б). В результате на нагрузке Rd появляется пульсирующее напряжение ud положительной полярности (рис. 2.3 в). В отрицательный полупериод напряжения u2 диод VD1 закрывается, ток id=0 и диод оказывается под воздействием обратного напряжения u2, максимальное значение которого равно амплитуде U2m, т. е. напряжение на диоде 
(рис. 2.3 г).
Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузке ud описывается выражением 
в диапазонах 
и т.д. и может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих
Несинусоидальная переменная составляющая 
может быть представлена рядом гармоник, т. е. рядом синусоидальных составляющих с увеличивающейся с порядковым номером частотой и убывающей амплитудой. Тогда пульсирующее напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда Фурье
Рис. 2.3. Временные диаграммы однополупериодной схемы
который для однополупериодной схемы выпрямления запишется в виде выражения:
С помощью ряда Фурье определяются основные параметры схемы выпрямления.
Постоянная составляющая 
рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода за период напряжения сети
Среднее значение пульсирующего тока в нагрузке определяется выражением: 
.
Переменная составляющая выпрямленного напряжения характеризуется своим максимальным значением (основной гармоникой): 
, где 
– амплитуда основной гармоники.
Эффективность работы выпрямителя определяется величиной коэффициента пульсаций 
, который определяется отношением амплитуды основной гармоники Um к среднему значению выпрямленного напряжения 
При этом частота пульсаций основной гармоники совпадает с частотой пульсаций выпрямленного напряжения 
и равна частоте напряжения сети: 
Достоинство однополупериодной схемы – простота. Недостатки: большие габариты трансформатора, большой коэффициент пульсаций, низкая частота основной гармоники. Поэтому такая схема выпрямления находит ограниченное применение, в основном для питания цепей малой мощности и высокого напряжения, например: электронно-лучевых трубок.
2.3.2. Двухполупериодная схема со средней точкой
Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 2.4) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, диоды которых работают на общую нагрузку.
Рис. 2.4. Двухполупериодная схема со средней точкой
При подаче напряжения u1 на первичную обмотку трансформатора на каждой половине вторичной обмотки возникают напряжения u21, u22 (рис. 2.5 а). Вторичные обмотки W21 и W22 включены последовательно и согласно. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.5 б, в). В первый полупериод 
к диоду VD1 приложена положительная полуволна напряжения u21, в цепи диод VD1 - нагрузка Rd - обмотка W21 протекает ток i21 (см. рис. 2.5 б). Диод VD2 в это время закрыт, так как к нему через открытый в это время диод VD1 приложено обратное напряжение обеих обмоток трансформатора 
(рис. 2.5 е). В следующий полупериод 
откроется диод VD2, и ток i22 будет протекать по цепи диод VD2 - нагрузка Rd - обмотка W22. (см. рис. 2.5 в). Таким образом, через сопротивление нагрузки Rd поочередно проходят в одном и том же направлении токи i21 и i22. В результате на нагрузке Rd образуются полуволны тока id и напряжения ud одного и того же знака (рис. 2.5 г, д).
Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение однополупериодной схемы, является пульсирующим, т. е. может быть разложено в гармонический ряд Фурье.
где – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке. При работе выпрямителя в режиме холостого хода, определяется выражением:
