Целью работы является изучение одно- и двухполупериодных схем выпрямителя, схем умножения напряжения, влияния отдельных элементов сглаживающего фильтра на величину пульсаций напряжения, приобретение практических навыков по экспериментальному определению характеристик выпрямителя.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Работа радиотехнического устройства (РТУ) бытового или специального назначения связана с потреблением электрической энергии и, следовательно, зависит от работоспособности источников питания.
Для питания РТУ используются источники питания сети переменного тока промышленной частоты - 50Гц, автономной сети повышенной частоты (400 и 1000) Гц, химические источники питания. На практике наибольшее распространение получил способ питания, основанный на выпрямлении переменного тока внешней сети. Устройство, осуществляющее выпрямление, принято называть выпрямителем. Структурная схема простейшего выпрямителя представлена на рис.1.
рис.1.
В зависимости от назначения выпрямителя трансформатор может быть повышающим или понижающим. На практике могут использоваться и бестрансформаторные схемы выпрямителя. Вентиль, обладая практически односторонней проводимостью, преобразует переменный ток в пульсирующий, содержащий кроме постоянной составляющей также и переменные составляющие.
При работе вентиля в выпрямителе он должен выдерживать приложенное к нему обратное напряжение и мощность, рассеиваемую на его электродах, обеспечивать необходимое максимальное значение прямого тока и высокий КПД.
В зависимости от назначения выпрямителя в качестве вентилей могут быть использованы кенотроны и тиратроны, кремниевые и германиевые диоды, тиристоры. Сглаживающий фильтр, стоящий между вентилем и нагрузкой, предназначен для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения.
Помимо элементов, показанных на рис.1, выпрямители могут включать в себя устройства стабилизации напряжения и тока, устройства контроля, защиты и коммутации.
Схемы выпрямителей могут питаться от однофазной и трёхфазной сети переменного тока. В зависимости от количества вторичных обмоток силового трансформатора и схемы их соединения число фаз на вторичной стороне может быть равно или больше числа фаз в первичной обмотке. Вторичная обмотка трансформатора и работающая с ней вентильная группа образует выпрямительную секцию. В зависимости от числа выпрямительных секций различают схемы простые, сложные и с промежуточным преобразованием частоты. Простые схемы могут быть однотактные, двухтактные и с умножением выпрямленного напряжения. В схемах с промежуточным преобразованием частоты питающее напряжение вначале преобразуется в напряжение более высокой частоты, которое после соответствующего усиления снова выпрямляется.
Основным признаком однотактной схемы выпрямления является одинаковое количество вентильных групп и вторичных обмоток трансформатора. В зависимости от количества вторичных обмоток трансформатора и схемы их соединения однотактные схемы выпрямления делятся одно- и двухполупериодные. Однополупериодная схема выпрямления и временные диаграммы для случая активной нагрузки представлены соответственно на рис.2 и 3.
рис.2.
рис.3.
В момент времени, когда диод включен в прямом направлении, ток протекает через вентиль и нагрузку. Так как напряжение на вторичной обмотке , ток в нагрузке будет иметь форму импульсов. Точно так же будет меняться и напряжение на нагрузке. Постоянная составляющая выпрямленного тока, протекающего за период через нагрузку:
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения определяется аналогично току:
При прямом включении вентиля его собственное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки, и с некоторым допущением можно считать, что всё напряжение вторичной обмотки приложено к нагрузке. В моменты обратного включения вентиля и ток через нагрузку не проходит, а все напряжение приложено к вентилю. Таким образом на выходе однополупериодной схемы выпрямления имеют место импульсы тока и напряжения, частота следования которых равна частоте питающей сети. Достоинством однополупериодной схемы выпрямления является ее простота, наличие только одного вентиля и однофазного трансформатора.
К недостаткам схемы можно отнести:
а) относительно большое значение коэффициента пульсаций и низкую частоту первой гармоники выпрямленного напряжения;
б) низкое использование трансформатора по мощности, так как он работает лишь в течении одного полупериода;
в) большую величину обратного напряжения на вентиле.
Как правило, однополупериодная схема выпрямления применяется в маломощных выпрямителях с высокоомным сопротивлением нагрузки.
Двухполупериодная схема выпрямления представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на одну нагрузку.
Одна из разновидностей двухполупериодной схемы выпрямления приведена на рис.4. В этой схеме в течение одного полупериода ток протекает через вентиль V1, нагрузку и половину вторичной обмотки трансформатора, во второй полупериод работает вторая часть схемы. Таким образом, через нагрузку ток протекает в течение всего периода в одном направлении. Временные диаграммы токов и напряжений для двухполупериодной схемы выпрямления приведены на рис.5. В этом случае постоянные составляющие тока и напряжения равны соответственно:
где и действующие значения тока и напряжения во вторичной обмотке трансформатора.
рис.4.
рис.5.
Наличие средней точки во вторичной обмотке трансформатора, неполное использование её при работе ограничивают применение данной схемы. На практике чаще используется двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис.6). Она содержит две пары вентилей, включенных по схеме четырех-плечного моста и работающих поочередно. Действующее значение тока вентилей, соединенных последовательно,
Максимальное значение тока
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора
В мостовой схеме выпрямления возможно использование вентилей с меньшим обратным напряжением, так как оно в два раза меньше по сравнению с обычной двухполупериодной и равно 1.57.
рис.6.
Сглаживающие фильтры.
Напряжения и токи на выходе схем выпрямления имеют пульсирующий характер и различаются в зависимости от вида схемы амплитудой и частотой пульсаций.
С наиболее низкой частотой пульсирует первая гармоническая составляющая выпрямленного напряжения и тока, ее амплитуда равна:
где m - число фаз выпрямления.
Степень содержания переменных составляющих в выпрямленном напряжении и токе характеризуется коэффициентом пульсаций, представляющим собой отношение переменной и постоянной составляющих:
Наибольшая величина коэффициента пульсаций имеет место на частоте первой гармоники:
при этом в случае чисто активной нагрузки коэффициенты пульсаций по напряжению и току равны.
Переменные составляющие выпрямленного напряжения и тока существенно ухудшают качественные показатели питаемых устройств, поэтому для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, включенные между выпрямительной схемой и нагрузкой.
Способность сглаживающего фильтра уменьшения пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:
Кроме обеспечения высокого коэффициента сглаживания фильтры не должны нарушать работы источника питания, а значит, и питаемого устройства, обладая при этом высокой эффективностью при минимальных габаритах, массе и стоимости.
Простейшими сглаживающими фильтрами являются индуктивный и емкостной фильтры (рис.7). В первом случае последовательно с нагрузкой включается дроссель, во втором параллельно нагрузке включается конденсатор. Принцип действия простейших сглаживающих фильтров основан на различии сопротивления для составляющих выпрямленного тока.
рис.7.
Сложные сглаживающие фильтры строятся на основе простейших, образуя однозвенные и многозвенные фильтры. Схема П-образного LC-фильтра приведена на рис.8а, эпюры напряжений на выходе двухполупериодного выпрямителя с П-образным LC-фильтром – на рис.8.б.Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощенно представить как совмесное действие двух фильтров. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания звеньев:
рис.8
Недостатком LC-фильтров является громоздкость и дороговизна дросселя, зависимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки, наличие переходных процессов, возможность создания электромагнитных помех.
В схемах с малыми токами и малым требуемым значением коэффициента сглаживания возможно применение RC-фильтра. Его недостатком является значительное падение напряжения на самом фильтре. Как правило, RC-фильтры применяются в качестве элементов развязки в цепях питания.
От недостатков, присущих перечисленным фильтрам, во многом свободны электронные сглаживающие фильтры, включенные по принципу LC-фильтров, но с заменой одного из реактивных сопротивлений нелинейным элементом – электронной лампой или транзистором. С целью уменьшения габаритов фильтра целесообразно использовать нелинейный элемент в качестве дросселя.
рис.9.
На рис.9 представлена схема транзисторного П-образного сглаживающего фильтра. Нагрузка включена в цепь коллектора. Роль индуктивности выполняет транзистор, ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе и определяется в основном током эмиттера. При поддержании постоянным тока эмиттера любое изменение напряжения на входе и выходе схемы приведет лишь к перемещению рабочей точки на характеристике, не вызывая при этом изменения тока коллектора. Таким образом, при наличии на входе фильтра пульсирующего напряжения напряжение на его выходе, равное , будет практически постоянным.
Применение транзисторных фильтров целесообразно при значительных токах нагрузки и малом значении выпрямленного напряжения. Недостатком транзисторных сглаживающих фильтров является температурная зависимость режима работы и необходимость защиты от перегрузок по току и напряжению.
Стабилизаторы напряжения и тока.
В большинстве случаев источники питания не могут самостоятельно обеспечить требуемую стабильность напряжения и тока. На практике находят применение параметрические, компенсационные и компенсационно-параметрические стабилизаторы. Наиболее часто используются параметрические стабилизаторы, работа которых основана на изменении параметров стабилизирующего элемента, приводящего к компенсации влиянии дестабилизирующих факторов. На рис.10 представлена схема стабилизатора напряжения с использованием кремниевого диода. Для стабилизации используется обратная ветвь вольтамперной характеристики. Для ограничения величины тока, протекающего через диод, и исключения теплового пробоя n-p перехода последовательно с диодом необходимо включать ограничивающее сопротивление.
Недостатком полупроводниковых приборов является зависимость их параметров от температуры. Изменение температуры приводит к сдвигу вольтамперной характеристики и изменению величины падения напряжения на диоде. Изменение напряжения оценивается величиной температурного коэффициента напряжения (ТКН). Для компенсации температурной зависимости параметров стабилитрона используется последовательное включение с ним термистора. Для компенсации ТКН стабилитрона могут быть использованы также стабилитроны, но с противоположным ТКН.
рис.10 рис.11
На практике широкое применение находят транзисторные стабилизаторы напряжения, простейшим из которых является эмиттерный повторитель (рис.11). При повышении входного напряжения возрастает отрицательный потенциал эмиттера, потенциал же базы остается неизменным за счет опорного напряжения, создаваемого кремниевым стабилитроном. Напряжение между эмиттером и базой уменьшается, напряжения на транзисторе и компенсируя повышение входного напряжения. Напряжение на нагрузке остается постоянным. Представленная схема транзисторного стабилизатора используется при невысоких требованиях к стабильности выходного нерегулируемого напряжения. Более высокими параметрами обладают стабилизаторы, построенные по типу компенсационных схем с использованием усилителей.
Умножители напряжения.
Принцип действия схем с умножением напряжения основан на использовании процесса разряда нескольких конденсаторов, заряженных через выпрямитель на одну нагрузку. Схемы выпрямления с умножением напряжения классифицируются по числу фаз выпрямленного тока, по виду схем, по наличию или отсутствия трансформатора. Наиболее часто на практике используются схемы удвоения, реже утроения напряжения (рис.12, а и б соответственно).
рис. 12
Работа схемы утроения напряжения происходит в следующей последовательности. В первый положительный полупериод заряжается конденсатор С1 через вентиль V1 до напряжения U2. Во второй полупериод через вентиль V2 заряжается конденсатор С2 до напряжения . В третий полупериод происходит заряд конденсатора С1 до напряжения и конденсатора С3 до за счет разряда конденсатора С2. Таким образом, через три полупериода к нагрузке будет приложено напряжение, равное примерно утроенному напряжению вторичной обмотки трансформатора.
Потери мощности постоянного тока в составных частях выпрямителя характеризуется величиной падения напряжения, определяемой с помощью нагрузочной характеристики, показывающей зависимость выходного напряжения от тока нагрузки выпрямителя (рис.13, где - напряжение холостого хода выпрямителя, - суммарное падение напряжения на составных частях схемы, - номинальное напряжение на нагрузке).
рис.1.
, ток в нагрузке будет иметь форму импульсов. Точно так же будет меняться и напряжение на нагрузке. Постоянная составляющая выпрямленного тока, протекающего за период через нагрузку:
определяется аналогично току:
значительно меньше сопротивления нагрузки, и с некоторым допущением можно считать, что всё напряжение вторичной обмотки приложено к нагрузке. В моменты обратного включения вентиля 
и ток через нагрузку не проходит, а все напряжение приложено к вентилю. Таким образом на выходе однополупериодной схемы выпрямления имеют место импульсы тока и напряжения, частота следования которых равна частоте питающей сети. Достоинством однополупериодной схемы выпрямления является ее простота, наличие только одного вентиля и однофазного трансформатора.
и 
действующие значения тока и напряжения во вторичной обмотке трансформатора.
, будет практически постоянным.
. В третий полупериод происходит заряд конденсатора С1 до напряжения 
за счет разряда конденсатора С2. Таким образом, через три полупериода к нагрузке будет приложено напряжение, равное примерно утроенному напряжению вторичной обмотки трансформатора.
- напряжение холостого хода выпрямителя, 
- суммарное падение напряжения на составных частях схемы, 