Однополупериодный диодный выпрямитель

June 10, 2010 by admin Комментировать »

Рассмотрение необходимо начать с однополупериодного выпрямителя, потому что и схема, и процесс переключения кажутся довольно просты­ми. Однако для интерпретации показаний приборов переменного и по­стоянного напряжения требуется понимание того, как форма напряже­ния связана с такими понятиями как эффективное и среднее значения. Как показано на рис. 10.1, показания приборов, измеряющих постоян­ные и переменные напряжения и токи, будут не теми, какие ожидает на­блюдатель, несведущий в теории переменного тока. Тем не менее, изме­рительные приборы все-таки дают достоверные данные о том, что они измеряют. Если эти показания правильно интерпретированы, то ожидае­мые показания и результат подчиняются прогнозируемым причинно-следственным связям. Однако остается фактом, что в схеме, изображен­ной на рис. 10.1, формируется не синусоидальное колебание, потому что сегменты или доли синусоидального колебания совсем не могут считать­ся синусоидальными. Поэтому однополупериодный выпрямитель являет­ся генератором гармоник. Практически образование гармоник в такой схеме может быть более значительным, чем ожидается при разложении синусоидальных импульсов в ряд Фурье. Причина состоит в том, что по­стоянная составляющая тока этой последовательности импульсов может приводить к различной степени насыщения в сердечнике трансформато­ра. В трансформаторе, используемом с однополупериодным выпрямите­лем, необходимо предусмотреть значительный запас, если Вы хотите избежать последствий, связанных с работой сердечника в области насыще­ния. К сожалению, требуется также дополнительный запас, чтобы ком­пенсировать плохое использование трансформатора при работе с такими напряжениями и токами, поскольку наличие гармоник увеличивают по­тери на гистерезис и на вихревые токи в сердечнике трансформатора.

Мощность постоянного тока в нагрузке = (4,5) (10) = 200 ватт Мощность переменного тока в нагрузке=(70,7)(7,1) – 200 = 300 ватт

clip_image002

Рис. 10.1. Низкоэффективное преобразование энергии простым однополупериодным выпрямителем. Как показано наверху, входная мощность равна 500 Вт. Предполагая диод идеальным, 60 % мощности (то есть, 300 Вт) попадает в нагрузку в виде переменного тока основной частоты и гармоник. Полезная мощность в виде постоянного тока в нагрузке оставляет 40 % (то есть, только 200 Вт). (Предложенный метод измерения мощности ошибочен! Прим. перев.)

Стабилизация

Еще один недостаток простого однополупериодного выпрямителя состо­ит в том, что он не способен поддерживать стабильным или регулиро­вать выходное напряжение; то есть выходное напряжение, поступающее к нагрузке, изменяется вместе с изменением входного нестабилизиро-ванного напряжения переменного тока. Даже более сложные схемы выпрямления, типа двухполупериодных выпрямителей со сложными

LC-фильтрами, неспособны обеспечить существенную стабильность вы­ходного напряжения. (Возможным исключением в таких схемах являет­ся использование трансформаторных стабилизаторов напряжения, кото­рые способны управлять выходным напряжением с помощью специально разработанных насыщаемых сердечников и настроенных в резонанс обмоток.) Таким образом, хотя однополупериодный выпрями­тель выглядит простым коммутатором переменного тока, он оказывает­ся непрактичным, поскольку нет возможности управлять его работой с целью стабилизации напряжения.

Коэффициент полезного действия при преобразовании

Совершенно очевидно, что наше обсуждение однополупериодного вып­рямителя является упрощенным, но вполне полезным для иллюстрации относительной неэффективности примитивных схем выпрямления. Как показано на рис. 10.1, однополупериодный выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное с к.п.д. около 40 процентов. Двухполупериодные выпрямители, с удвоенным числом им­пульсов при выпрямлении, имеют эффективность около 80 процентов. Добавление конденсаторов и катушек индуктивности с целью фильтра­ции может еще увеличивать эту величину. Тем не менее, остается фак­том, что повышение эффективности достигается за счет увеличения сто­имости и сложности схемы. Суммарная эффективность преобразования энергии снижается в дальнейшем в процессе стабилизации, прежде всего диссипативными (линейного типа) стабилизаторами.

Сказанное наглядно демонстрируется на рис. 10.2, где изображена форма напряжения, полученного от двухполупериодного выпрямите­ля. Этот выпрямитель имеет на выходе емкостной фильтр для времен­ного хранения энергии между импульсами напряжения, полученными при выпрямлении. В общем случае в электронных системах к.п.д. ис­точника питания определяется, прежде всего, той частью нестабили-зированной входной мощности, которая потрачена впустую в процес­се стабилизации. Таким образом, на рис. 10.2 полезная мощность содержится только в нижней части графика, ниже прямой, которая представляет постоянное стабилизированное выходное напряжение (^оит)- Верхняя часть представляет пульсирующее переменное напря­жение (К^) и резервное напряжение (К^), необходимое для стабилиза­ции, которые значительно снижают к.п.д. диссипативных линейных источников питания. Пульсирующее напряжение можно понижать только улучшая фильтрацию, то есть за счет повышения стоимости источника. Резервное напряжение определяется диапазоном измене­ния входного переменного напряжения и минимальным падением на­пряжения на проходном стабилизирующем элементе при наихудшей ситуации.

clip_image004

Рис. 10.2. Типичная ситуация рассеяния мощности в линейном стабилизаторе. Волнистая линия представляет собой нестабилизиро-ванное напряжение на выходе фильтра двухполупериодного выпрями­теля. Только часть входной мощности будет передана в нагрузку в виде выходного напряжения линейного стабилизатора. Остальная часть мощности рассеивается в проходном стабилизирующем элементе линейного стабилизатора. Импульсный стабилизатор может исполь­зовать почти полную амплитуду входного напряжения.

Импульсные источники питания полностью используют входное на­пряжение, вид которого изображен на рис. 10.2, потому что все входное напряжение вносит вклад в «полезную» мощность. Импульсный стаби­лизатор, например, компенсировал бы пульсирующую составляющую напряжения, но не рассеивая мощность, а изменяя частоту следования или длительность импульсов определяющих процесс переключения, что­бы преобразовать пульсирующее напряжение в постоянное выходное на­пряжение. Тоже самое происходит с резервным напряжением, которое изменяется с флуктуациями напряжения сети переменного тока. Для импульсного стабилизатора не составляет проблемы изменить частоту следования или длительность импульсов, чтобы скомпенсировать эти флуктуации. В результате импульсные источники питания обычно предъявляют меньше, чем линейные, требований к выпрямителям, а это приводит к уменьшению их габаритов и компенсирует стоимость входя­щих в состав стабилизатора компонент.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты