Изучить назначение, принцип действия, свойства и возможные схемотехнические решения выпрямителя со сглаживающим фильтром.
Задание
1. Ознакомиться с принципами построения, характеристиками и свойствами выпрямителя со сглаживающим фильтром.
2. Исследовать свойства выпрямителя с различными схемами сглаживающего фильтра на пассивных элементах.
Пояснения к лабораторной работе
3.1. Краткие сведения
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения.
В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ.
Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя
Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных, прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.
Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R-L-С элементах.
Стабилизация мгновенного значения выходного напряженияосуществляется введением в цепь передачи напряжения дополнительного звена, коэффициент передачи которого для переменной составляющей напряжения существенно меньше, чем для его постоянной составляющей. В результате постоянная составляющая напряжения проходит в нагрузку практически без изменений, а его переменная составляющая ослабляется делителем, образованным введенным звеном и нагрузкой ИВП.
Звено, коэффициент передачи которого для переменной составляющей электрического сигнала существенно меньше, чем для его постоянной составляющей, называется сглаживающим фильтром. Очевидно, что сглаживающий фильтр является частным случаем фильтра нижних частот. Их отличие состоит в том, что, поскольку сглаживающий фильтр используется в силовых цепях, для него обязательным является выполнение условия K0»1.
3.2 Исследуемые свойства
Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2,а). Рассмотрим ее работу в предположении, что входное напряжение изменяется по закону ивх=Umsinwt. На интервале 0<t<T/2 (рис. 2,б) полупроводниковый диод VD смещен в прямом направлении и напряжение, а, следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале T/2<t<T диод VD смещен в обратном направлении и напряжение (ток) в нагрузке равно нулю.
При заданном входном напряжении ивх=Umsinwt для нечетных его полупериодов, т.е. 2kp£wt£2kp+1, выпрямленный ток в нагрузочном резисторе iн будет создавать на нем падение напряжения, среднее значение которого равно
где Um — амплитуда входного напряжения, или используя известное соотношение, связывающее амплитудное и действующее значения напряжения переменного тока U=Um/Ö`2,
где U — действующее значение входного напряжения.
Коэффициент пульсации, равен отношению амплитуды первой гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения, для рассматриваемой схемы:
Где и1=(1/2)Umsinwt - первая (основная) гармоника выходного напряжения;
Как видно из приведенного выражения, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, а потому без фильтрующих устройств находит ограниченное применение.
В импульсных источниках электропитания для фильтрации используются простейшие сглаживающие фильтры (рис. 3).
Рис. 3. Схемы сглаживающих фильтров
Передаточная функция RC-фильтра(рис. 3,а), состоящего из балластного резистора Rф и конденсатора Сф подключенного между выходом выпрямителя (для рассматриваемого звена это будет uвх) и нагрузкой Rн имеет вид
где K0=Rн/(Rн+Rф)—коэффициент передачи звена для постоянной составляющей напряжения; t=RнRфСф/(Rн+Rф)—постоянная времени звена.
Для определения зависимости коэффициента передачи фильтра от частоты перейдем от передаточной функции в частотную область (путем подстановки p=jw) и найдем модуль полученной амплитудно-фазовой характеристики
где P(w) и Q(w) — соответственно действительная и мнимая части передаточной функции, т.е. P(w) =Rе[W(jw)], Q(w)= Im[W(jw)].
На практике большое распространение получили логарифмические АЧХ и ФЧХ, построенные в виде самостоятельных зависимостей. Логарифмической амплитудно-частотной характеристикой ЛАЧХ называется зависимость вида
Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) называется зависимость
Если предположить, что wt>>1, то, пренебрегая единицей, получаем
Из полученного выражения становится очевидным, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент передачи звена падает, а, следовательно, амплитуды высокочастотных составляющих, передаваемых звеном в нагрузку, будут уменьшаться. В то же время, если выполняется условие Rн>>Rф, то K0»1 и постоянная составляющая выпрямленного напряжения передается в нагрузку Rн практически неизменной.
где Umi—амплитуда i-й гармоники на входе фильтра; wi—частота i-й гармоники. Тогда
LC- фильтр(рис 3,б) выгодно отличается от RС-фильтра большими значениями K0 и q. Это объясняется тем, что с увеличением частоты входного сигнала не только уменьшается сопротивление конденсатора Zc=1/(wСф), но и растет сопротивление индуктивности ZL=wLф. Поэтому активное сопротивление индуктивности практически не влияет на коэффициент сглаживания фильтра, и при проектировании стремятся обеспечить RLф=0, что предполагает получение K0=1.
Передаточная функция LC-фильтра имеет вид
где —постоянная времени фильтра, — коэффициент затухания, K0=RLф/(Rн+RLф)—коэффициент передачи фильтра по постоянному току.
Полагая RLф=0 аналогично вышеизложенному, для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно получить
Емкостной сглаживающий фильтр является наиболее простым. Он состоит из конденсатора Сф, включаемого параллельно сопротивлению нагрузки (рис. 3,в). Временные диаграммы, поясняющие работу на выходе однофазного двухполупериодного выпрямителя, приведены на рис 4. Анализ работы данного фильтра проведем в предположении, что в диоды в схеме выпрямителя идеальные (Uдо=0, rд=0), а внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно Rвн=0.
Рис. 3. Схема выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)
Допустим, что в момент времени t=t1 напряжение на конденсаторе Сф равно мгновенному значению входного напряжения, т.е. выполняется условие uc(t1) ==uвх(t1). Дальнейшее увеличение входного напряжения приведет к смещению в прямом направлении соответствующей пары диодов выпрямителя. При этом через эти диоды будет протекать ток, равный сумме тока нагрузки и зарядного тока конденсатора
где Um—амплитудное значение входного напряжения; w—частота входного напряжения.
Так как мы предположили, что rд+Rвн=0, то до момента t2 мгновенные значения напряжений uс=uн и uвх будут равны. После момента t2 напряжение uвх становится меньше ис. Это вызовет запирание ранее открытого диода (ис>uвх) и отключение нагрузки от входного напряжения. Далее до момента t4 напряжение на нагрузке будет поддерживаться исключительно за счет заряда, накопленного в конденсаторе Сф на интервале проводимости диода (t1—t2). Следует обратить внимание, что всегда t2>T/4, т.е. выключение диодов происходит в момент, когда uвх<Um.
Из описанного принципа работы вытекает, что подключение на выход выпрямителя емкостного фильтра качественно изменяет режим его работы. При этом энергия от входного источника отбирается только на интервале t1—t2 в течение которого uвх>uC. Чем больше емкость Сф, тем меньше реальная пульсация выходного напряжения, тем короче интервал Dt1= t2—t1 и тем ближе значение напряжения нагрузки к амплитудному значению входного напряжения.
Для получения расчетных соотношений предположим, что амплитуда переменного напряжения на выходе фильтра существенно меньше среднего значения выходного напряжения. Тогда с достаточной точностью можно полагать, что на интервале t2— t4 ток разряда конденсатора фильтра Сф постоянен и равен Iр==Uн/Rн и t2=T/2. В этом случае можно считать, что уменьшение выходного напряжения на интервале Dt2= t4—t2 происходит по линейному закону и легко найти величину пульсаций выходного напряжения
DUн max = 2IрDt2/Cф.
Рис. 4
3.3. Схема для исследования ДУ
Схема для исследования выпрямителя со сглаживающим фильтром показана на рис. 4. С помощью вольтметров, подключенных к сопротивлению нагрузки, один из которых измеряет постоянную, другой – переменную составляющую напряжения, легко определить коэффициент пульсации на нагрузке eвых, т.е. на выходе фильтра. Изменяя схему фильтра и его параметры можно исследовать совместную работу выпрямителя с фильтром. Коэффициент пульсации собственно выпрямителя eвх и коэффициент сглаживания q следует оценить по вышеприведенным формулам.
—постоянная времени фильтра, 
— коэффициент затухания, K0=RLф/(Rн+RLф)—коэффициент передачи фильтра по постоянному току.
