Главная | Обратная связь

Однофазный выпрямитель с нулевым отводом

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Источниками вторичного питания называются устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, которым, в частности, является сеть переменного тока, в электрическую энергию питания различных видов потребителей этой энергии. Одним из таких потребителей энергии является электронная аппаратура, для которой, как правило, требуется постоянное напряжение высокой стабильности с необходимым номинальным значением. Для электронной аппаратуры источниками вторичного питания являются также электронные устройства.

Схема типового источника вторичного электропитания электронной аппаратуры приведена на рис.4.1. Она включает трансформатор (Т), выпрямитель (В), фильтр (Ф) и стабилизатор напряжения (СН). На этом же рисунке показана последовательность преобразования сетевого напряжения. Трансформатором осуществляется изменение значения сетевого напряжения. Выпрямителем, основным элементом источника вторичного электропитания, обеспечивается однонаправленное протекание тока в нагрузке, который характеризуется определенным уровнем пульсации. Фильтром эти пульсации ослабляются, для чего используются фильтры низких частот. Стабилизатор напряжения предназначен для устранения влияния на выходное напряжение источника вторичного электропитания внешних воздействий, к числу которых относятся изменения напряжения сети и параметров нагрузки.

 

Рис.4.1. Структурная схема и временные диаграммы

напряжения источников вторичного питания

на входе и выходе его узлов

 

Ниже основное внимание уделено рассмотрению работы однофазных выпрямителей.

Однофазный выпрямитель с нулевым отводом

Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора представлена на рис.4.2. В ее состав входит силовой трансформатор с расщепленной вторичной обмоткой, которая состоит из двух одинаковых половин. С каждой из половин этой обмотки снимаются напряжения, одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° относительно нулевой точки, а также два диода Д₁ и Д_2.

 

Рис.4.2. Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом

Принципы работы выпрямителя рассматриваются для случая активной нагрузки R_H . При этом используются временные диаграммы напряжений и токов, которые приведены на рис.4.3. На рис.4.3,а и 4.3,б представлены временные зависимости подводимого от сети напряжения u₁ , поступающего на первичную обмотку трансформатора, и напряжений u_2-1 и u_2-2 , снимаемых с каждой из половин вторичной обмотки. Для получения полного представления о работе выпрямителя вполне достаточно рассмотреть процессы, происходящие в выпрямителе в интервале фаз от 0 до , т.е. в течение одного периода подводимого напряжения.

В интервале фаз 0÷ , когда на входе трансформатора действует положительный полупериод напряжения, на анод диода Д₁ подается положительное напряжение, а на анод диода Д₂ – отрицательное. Поэтому диод Д₁ находится в открытом состоянии, а диод Д₂ – в закрытом. Ток в таких условиях протекает через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д₁ и нагрузку R_Н. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении падением напряжения в открытом диоде совпадает с временной зависимостью напряжения u_2-1, что иллюстрируется положительной полуволной на рис.4.3,в. Амплитуды напряжений и одинаковы.

 

 

Рис.4.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного выпрямителя с нулевым отводом

В интервале фаз ÷ на входе трансформатора действует отрицательный полупериод напряжения, и в открытом состоянии находится диод Д ₂, а в закрытом – диод Д ₁. Ток протекает через нижнюю половину вторичной обмотки трансформатора, диод Д ₂ и нагрузку. При этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в интервале фаз 0y . Следовательно, в интервале фаз ÷ напряжение в нагрузке имеет также положительную полярность. На рис. 4.3,в указаны номера диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды питающего напряжения.

Ток , протекающий через нагрузку, определяется законом Ома

. (4.1)

Он имеет такую же временную зависимость, что и напряжение (рис.4.3,г).

Как видно из рис.4.3,в и 4.3,г, напряжение и ток на выходе выпрямителя имеет вид импульсов положительной полярности. Разложение периодических функций и в ряд Фурье позволяет выделить постоянную и переменные составляющие напряжения и тока. Для потребителя выпрямленного напряжения важна постоянная составляющая, которую можно определить как среднее значение напряжения .

Поскольку период выпрямленного напряжения соответствует интервалу фаз шириной , внутри которого напряжение изменяется как функция синуса, можно записать

_, (4.2)

где - действующее значение напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора. Аналогичное соотношение может быть записано для выпрямленного тока

. (4.3)

Амплитуда тока в нагрузке

. (4.4)

Средние значения выпрямленных напряжения и тока на рис. 4.3,в и 4.3,г представлены горизонтальными сплошными прямыми.

Диоды находятся в открытом и закрытом состоянии попеременно, а через каждый диод ток протекает в течение одного полупериода питающего напряжения, как показано на рис.4.3,д, е. Поэтому величина среднего тока диода вдвое меньше среднего тока нагрузки.

. (4.5)

Амплитудные значения токов в диодах и нагрузке одинаковы.

Когда диод закрыт, к нему приложено отрицательное напряжение, величина которого изменяется по синусоидальному закону, как показано на рис.4.3,ж для диода Д₁. Амплитуда этого напряжения равна удвоенной величине амплитуды напряжения, снимаемого с одной из половин вторичной обмотки трансформатора, так как к закрытому диоду подводится напряжение с двух крайних отводов этой обмотки. Следовательно, максимальная величина обратного напряжения, которую должен выдерживать диод,

. (4.6)

 

Соотношения (4.5) и (4.6) используются при выборе типа диода, который предполагается применить в выпрямителе.

Качество выпрямленного напряжения оценивается параметром, называемым коэффициентом пульсации , который определяется как отношение амплитуды -ой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению напряжения . Величины амплитуд гармонических составляющих напряжения определяются разложением в ряд Фурье функции

, (4.7)

где m - число периодов выпрямленного напряжения, соответствующих одному периоду питающего напряжения. Как видно из сравнения рис.4.3,а и рис 4.3,в, для рассматриваемой схемы выпрямителя m=2 . Наибольшую амплитуду имеет первая гармоника , для которой коэффициент пульсации

= 0,67 . (4.8)

Величина параметра m одновременно указывает, во сколько раз увеличивается частота первой гармоники выпрямленного напряжения относительно частоты питающего напряжения. Так при частоте сети = 50 Гц частота первой гармоники на выходе выпрямителя составляет 100 Гц.