Выпрямители

Лекция 12. Преобразователи напряжения

Тема 5. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Большинство электронных управляющих, измерительных, вычислительных и других устройств питаются напряжением постоянного тока. Сетевое напряжение переменное, с частотой 50 Гц одно или трехфазное. Поэтому практически каждый электронный прибор снабжен автономным преобразователем напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

В общем случае преобразователь напряжения может содержать трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор постоянного напряжения. Основным узлом преобразователя является выпрямитель. Принцип работы трансформатора был рассмотрен в первом разделе курса. Поэтому преобразователи напряжения начнем рассматривать с основных выпрямительных схем.

Различают неуправляемые и управляемые выпрямители. Для построения неуправляемых выпрямителей применяют полупроводниковые диоды, а для построения управляемых - тиристоры. Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 13.1а. На рис. 13.1б приведены соответствующие этой схеме эпюры напряжения и тока.

В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения , выпрямительный диод, и нагрузка . При анализе работы схемы будем полагать, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном - бесконечности. При таких допущениях через нагрузку протекает несинусоидальный периодический ток, в виде полуволн синусоиды:

i(t) =

.

Этот ток создает на сопротивлении падение напряжения в виде периодических пульсаций. С учетом принятых допущений амплитудное значение пульсаций равно амплитудному значению входного напряжения (рис.1в). Во время отрицательного полупериода входного напряжения все напряжение источника падает на бесконечно большом сопротивлении диода. Такое падение напряжения называют обратным напряжением диода, а выпрямитель - однополупериодным.

Рис.13.1в наглядно показывает, что период пульсаций выпрямленного напряжения Т равен периоду входного напряжения. Значит и частота пульсаций равна частоте входного напряжения f, а кратность пульсаций:

. (13.1)

Определим интегральные параметры выпрямленного напряжения. Среднее значение тока определим известным по лекции 2 выражением:

. (13.2)

Аналогично:

. (13.3)

Действующее значение выпрямленного тока:

. (13.4)

Соответственно:

. (13.5)

Для оценки качества выпрямленного напряжения применяют специальный параметр - коэффициент пульсаций - К_п. Он определяется отношением амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения (пульсаций) - к среднему значению - , т.е.

. (13.6)

Разложение в ряд Фурье функции, представленной рис.13.1в имеет вид:

.

В этом разложении первый член - постоянная составляющая - среднее значение выпрямленного напряжения, а амплитуда первой гармоники

.

Следовательно

. (13.7)

Таким образом, рассмотренная схема однополупериодного выпрямителя позволяет получить малые значения среднего и действующего токов и напряжений и обладает большим значением пульсаций - К_п = 1,57.

Значительно лучшими параметрами обладает схема двухполупериодного выпрямителя, разработанная в 1901 г. академиком Миткевичем (рис.13.2а). В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения, трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки, два диода и сопротивление нагрузки - R_H . Сопротивление нагрузки включено между катодами диодов и средней точкой вторичной обмотки.

; ;

; (13.8)

; (13.9)

(13.10)

; (13.11)

; (13.12)

где

.

Выражения показывают, что схема Миткевича имеет значительно лучшие параметры, чем однополупериодный выпрямитель. Однако применение трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки не всегда приемлемо. Свободна от этого недостатка схема мостового выпрямителя (рис.13.3). Схема включает в свой состав источник напряжения u(t), четыре диода и сопротивление нагрузки R_H, которое включено в диагональ моста.

Пусть во время положительного полупериода входного напряжения полярность контактов 1 - 1^' такая, как показано на рис. 13.3. В этом случае к диодам Д1 и Д4 приложено прямое напряжение, а к диодам Д2 и Д3 - обратное. В цепи выпрямителя потечет ток i₁ от контакта 1, через диод Д1, сопротивление нагрузки R_H, диод Д4, к контакту 1^'. Этот ток создаст на сопротивлении нагрузки падение напряжения (пульсацию) на интервале положительного полупериода входного напряжения (см.рис.13.2в).

Напряжение стабилизации U_C приложено к узлам 1 - 1^' схемы. Под этим напряжением находится и сопротивление нагрузки. Значит:

.

Выражение (13.16) можно применять для расчета параметров схемы.