Выпрямители

Целью работы является изучение теоретических основ функционирования и практическое ознакомление с основными схемами выпрямителей переменного тока и сглаживающих фильтров.

1. Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВП) – электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию, значения частоты, уровня и стабильности которой согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим параметрам конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.

В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного (генераторы) или постоянного (аккумуляторы, химические батареи и т. д.) тока.

Практика показывает, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены. Причина состоит в том, что современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем (ИС), требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (как правило, ±5... ±15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ± (5... 10) %. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств или аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1 ...0,01%).

Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено:

несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, так как промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50 Гц, в то время как ЭУ о основном используют для питания напряжение постоянного тока, т. е. напряжение с частотой, равной нулю;

несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значение напряжения промышленной сети равно 220 или 380 В, напряжение аккумуляторной батареи 12 В, что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования ИС;

несовпадением стабильностей напряжений, так как промышленная сеть допускает статические {долговременные) отклонения напряжения в диапазоне +15%…20%, а напряжение аккумуляторной батареи может изменяться от 7,5 до 15 В, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС.

Все это обусловливает необходимость применения специального ЭУ, согласующего частоты, уровни и стабильности напряжений, необходимых для питания отдельных узлов ЭС. Роль этого ЭУ и выполняют ИВП, преобразующий электрическую энергию в электрическую, т. е. выполняющий вторичное преобразование электрической энергии.

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых, как правило, может быть разбито на три основные группы: устройства согласования частоты, уровня и стабильности напряжения.

Устройства согласования частоты в зависимости от вида преобразуемой энергии подразделяются на два основных класса: выпрямители – преобразователи напряжения переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение) и инверторы – преобразователи постоянного напряжения в переменное с заданной формой и частотой.

Устройства согласования уровня напряжения предназначаются для преобразования как постоянного, так и переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня.

Устройства согласования стабильности напряжения могут быть разбиты на два основных класса: сглаживающие фильтры – устройства, предназначенные для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения (тока), и стабилизаторы – устройства, стабилизирующие среднее значение выходного напряжения, тока или мощности.

В соответствии со сказанным, обобщенную структурную схему ИВП, как это показано на рис. 1, а, можно представить в виде последовательного соединения трех блоков. Следует отметить, что, с точки зрения конечного результата – согласования параметров напряжения, последовательность включения указанных блоков может быть произвольной и определяется дополнительными требованиями к ИВП, а также используемыми схемотехническими решениями отдельных блоков.

Рис. 1. Структурные схемы ИВП:

а – обобщенная схема; б – схема с входным низкочастотным трансформатором;

в – схема с высокочастотным преобразователем; г – схема с управляемым выпрямителем

На рис. 1,б–г приведено несколько наиболее типичных структурных схем построения ИВП, которые предназначены для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение. Первая (рис. 1,б) содержит каскадно-соединенные трансформатор (TV), выпрямитель (В), сглаживающий фильтр (Ф) и стабилизатор (С_Т). Функциональное назначение отдельных блоков соответствует структурной схеме рис. 1,а, т.е. сначала согласовываются уровни, затем частоты и окончательно стабильности входного и выходного напряжений.

Вторая структурная схема (рис. 1,в) предполагает первоначальное преобразование входного переменного напряжения в постоянное (выпрямитель В1 и фильтр Ф1). Далее выполняется согласование уровней напряжения. Для этого служит конвертор, выполненный на каскадно-включенных инверторе И с трансформаторным выходом и выпрямителе В2. Для окончательной стабилизации мгновенных значений выходного напряжения в схеме используется выходной сглаживающий фильтр Ф2. Особенностью данной структуры является совмещение в конверторе двух функций. Это – согласование уровней напряжения и стабилизация его среднего значения. Для выполнения последней функции выходное напряжение ИВП используется в инверторе И в качестве управляющего (цепь обратной связи). Обычно в рассмотренной структуре промежуточное преобразование постоянного напряжения в переменное выполняется с использованием высокочастотного инвертора, что позволяет существенно уменьшить массу и объем всего устройства.

Структурная схема на рис. 1,г содержит только два блока. Это управляемый выпрямитель (УВ), в функции которого входит согласование уровня, частоты и стабильности среднего значения выходного напряжения, а также выходной сглаживающий фильтр (Ф), стабилизирующий мгновенное значение выходного напряжения.

Сравнение приведенных структур свидетельствует о том, что представление ИВП в виде каскадного соединения трех функционально законченных блоков является до некоторой степени условным. В конкретной структуре часто невозможно выделить законченные функциональные блоки, выполняющие только один из указанных выше типов преобразования (согласования) напряжений. Однако такое представление позволяет четко сформулировать требования, предъявляемые к ИВП, определить его место в составе ЭС и основные характеристики.

Независимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений, ИВП характеризуется рядом электрических параметров. К основным из них относятся следующие:

1. Номинальные уровни входного U_{вх ном} и выходного U_{вых ном} напряжений. В зависимости от формы эти напряжения являются либо действующими (U_ном = U), либо постоянными (U_ном = U_ср).

2. Предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений. Иногда их называют относительными изменениями или коэффициентом нестабильности напряжения

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки и напряжения питания

где ΔU_вых(I_н) и ΔU_вых(U_вх) – соответственно абсолютные изменения выходного напряжения при заданном изменении тока нагрузки и входного напряжения.

Иногда величину δU_вых(U_вх) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

Если ИВП предназначен для получения на выходе стабильного тока или мощности, то перечисленные параметры определяются относительно этих величин.

3. Диапазон изменения выходной мощности P_{н max} – P_{н min}. Иногда этот диапазон задается значениями максимального I_{вых max} и минимального I_{вых min} токов нагрузки.

4. Предельный уровень амплитуды переменной составляющей входного U_{m вх} и выходного U_{m вых} напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций

где U_mi – амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения, представляющая собой амплитуду низшей (основной) его гармоники.

Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания

Наличие переменных составляющих (пульсаций) в результате преобразования неизбежно. Различными мерами пульсации могут быть уменьшены до сколь угодно малых значений. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров выпрямленного напряжения. Дальнейшее улучшение качества преобразования может осуществляться в схеме стабилизатора напряжения.