При расчётах источников электропитания любое радиоустройство или станцию связи представляют активным эквивалентом с сопротивлением
(1) где U 0 — постоянная составляющая напряжения, I 0 — ток нагрузки.
Реальная нагрузка обычно нелинейна, поэтому часто используют дифференциальное сопротивление нагрузки:
(2).Обычно R н ≠ R НД, поэтому расчёты вторичных источников электропитания справедливы только для номинального режима и это является источником погрешности в расчётах показателей выпрямительных устройств.
Основной характеристикой любого энергетического устройства является его КПД, который равен отношению активных мощностей на выходе (Рвых) и на входе (Р — мощность, потребляемая от первичной сети):
(3)
где P
вых = P
0 = U
0 ×I
0 — выходная мощность.
Если первичная сеть постоянного тока, то потребляемую мощность определяют P = U ВХ ×I ВХ. Если первичная сеть переменного тока, то мощность, потребляемая от сети при гармоническом токе равна:
S = U×I — полная мощность P = U×I ×cos φ — активная мощность Q = U×I× sin φ — реактивная мощность, где U, I — действующие значения напряжения и тока.Справедлив треугольник мощностей (рисунок 1):
Если ток потребления несинусоидальный, то активная мощность потребляется только на той частоте, которая совпадает с частотой напряжения сети. Здесь в полной мощности появляется ещё одно слагаемое — мощность искажений (Т)
, (4)
но активная мощность потребляется только по первой гармонике P=U×I 1 ×cos φ 1 , где I 1 — действующее значение первой гармоники тока и угол сдвига этой гармоники — φ 1 .
Полная мощность (S) характеризует предельные возможности источника энергии. Под коэффициентом мощности понимается отношение
, (5)
где ν = I
1 /I
— коэффициент искажения тока;
I
1 — действующее значение первой гармоники;
I
— действующее значение всех гармоник несинусоидального тока.
При синусоидальной форме переменного тока полная мощность равна потребляемой мощности S = P только при резистивной нагрузке. Реальные потребители электроэнергии всегда имеют реактивную составляющую сопротивления и часто обладают нелинейным характером, поэтому коэффициент мощности χ≤1. В энергетике принимают специальные меры для его повышения. Международная электротехническая комиссия (МЭК) ещё в 1992г ввела в действие стандарт IEС–555–2, согласно которому любое устройство, потребляющее от сети мощность более 300 ватт, должно иметь коэффициент мощности равный единице. Это возможно только при наличии на входе активного корректора коэффициента мощности (ККМ). В 2001 принят новый стандарт IEC–1000–3–2, в котором уровень мощности снижен до 200 ватт, поскольку растёт число потребителей именно малой мощности. Поэтому любая электротехническая продукция, выходящая на международный рынок и подключаемая к сети переменного тока, должна иметь активный характер входного сопротивления.
Форма выходного напряжения ВУ в общем случае содержит постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Она приведена на рисунке 2. Под коэффициентом пульсаций понимается отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к постоянной составляющей U 0 , хотя его можно определить по любой гармонике, которая может оказаться больше первой.
Представив выпрямленное напряжение рядом Фурье — суммой постоянной составляющей U 0 и n гармоник с амплитудами U mn , находят коэффициент пульсаций напряжения:
, (6)Постоянная составляющая U 0 — является полезным продуктом выпрямителя, а пульсации U mn — вредной составляющей. При сложной форме пульсаций наибольшую величину может иметь не первая гармоника, а гармоника с более высоким номером, хотя обычно под k П понимается именно первая гармоника, которая используется во всех расчётах и приводится в технической документации на оборудование.
В современных выпрямителях, использующих импульсные методы преобразования, форма пульсаций существенно отличается от синусоидальной формы (см. рисунок 2б). Потребителя обычно не интересует, какая из гармоник на выходе выпрямителя имеет максимальный размах. Его интересует общий размах пульсаций или так называемый абсолютный коэффициент пульсаций (k абс), который может рассчитываться по разным формулам, например:
, (7)
, (8)
Например, если постоянное напряжение U 0 = 10 В, а напряжение пульсаций U m1 = 1В, то:
Видно, что абсолютный коэффициент пульсаций вдвое больше по величине и объективно отражает пульсации на нагрузке, хотя во всех нормативных документах указываются именно пульсации по первой гармонике. Поэтому к коэффициенту пульсаций надо относиться очень внимательно.
Для оценки помех, проникающих в телефонные каналы связи по цепям питания необходимо учитывать не только амплитуду, но и частоту помехи. Это связано с неравномерной чувствительностью человеческого уха в звуковом диапазоне. Поэтому вводится понятие псофометрического коэффициента a к, зависимость которого от частоты приведена на рисунке 3.
На частоте f = 800 Гц a к = 1. Относительное влияние гармоник с другими частотами характеризуется величиной псофометрического коэффициента. Эффективное значение псофометрического напряжения пульсаций U псф на выходе выпрямителя определяется выражением:
где a к — коэффициент соответствующей гармоники, U км — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.Внешняя характеристика вторичного источника питания — это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки: U 0 = f(I 0). Вторичный источник питания обычно представляется генератором постоянного напряжения U 0xx (холостого хода) с внутренним сопротивлением R вых. Эта схема приведена на рисунке 4.
По этой схеме можно определить напряжение на зажимах источника питания: U 0 = U 0xx − I 0 R вых. Типовая внешняя характеристика источника питания приведена на рисунке 5 и обычно имеет падающий характер.
Падение напряжения определяется выходным сопротивлением источника питания, поэтому по внешней характеристике можно определить его выходное сопротивление:
, (13)
это сопротивление обычно нелинейное, поэтому его находят при заданном рабочем токе. У стабилизированного источника питания выходное сопротивление может быть достаточно мало, и тогда внешняя характеристика принимает вид, показанный на рисунке 6.
Выходное сопротивление источника питания существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько блоков (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника при R вых ≠0 приводит к электрической связи между несколькими нагрузками. Эта ситуация иллюстрируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.
, (14)
где ω н — частота изменения тока нагрузки.
При импульсных токах нагрузки это условие надо выполнить для широкого спектра частот, но идеальных конденсаторов не существует. Реальный конденсатор можно представить эквивалентной схемой замещения, показанной на рисунке 8.
Здесь R с — сопротивление потерь, зависящее от тангенса угла потерь используемого диэлектрика, L — индуктивность выводов и инерционность диэлектрика. Зависимость полного сопротивления Z от частоты носит резонансный характер. Частота резонанса зависит от типа, конструкции конденсатора и меняется в широких пределах от 2 ГГц для керамических smd конденсаторов до десятков килогерц для электролитических конденсаторов. Например, для конденсатора К50-33 с напряжением 63 В и ёмкостью С = 4700мкФ, модуль полного сопротивления лежит в пределах Z = 0,03 ... 0,1 Ом в диапазоне частот 10кГц... 1МГц.. При этом значение сопротивления идеального конденсатора равно:
(15)То есть, реальное сопротивление конденсатора на частоте 10 кГц на порядок превышает теоретическое значение сопротивления Х с. Поэтому в схемах устройств, чувствительных к помехам параллельно электролитическому конденсатору ставят плёночный или керамический конденсатор малой ёмкости, который обладает большей полосой рабочих частот.
Энергетические устройства одинакового назначения сравнивают между собой по удельным массо-объёмным показателям с размерностью: Вт/дм³ и Вт/кг (иногда кг/Вт). Габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплопровода (VT), либо конструктивным объёмом, необходимым для размещения деталей V к. Применение интегральной и гибридно-плёночной технологии изготовления диодов, транзисторов, резисторов, дросселей и других деталей, повышает их коэффициент загрузки, т.е. увеличивается плотность тока j (А/мм²) и частота преобразования, что приводит к уменьшению массы и объёма конструкции V к. С другой стороны повышение коэффициента загрузки приводит к увеличению потерь, следовательно, возрастает и требуемый «тепловой» объём (V т). Это положение иллюстрируется графиком, приведенным на рис.7, где по оси абсцисс отложен интегральный параметр — частота f, плотность тока j, индукция В.
Можно предположить, что увеличивая частоту, можно снизить объём конструкции, однако при этом возрастает минимальный тепловой объём (мощный транзистор ставится на радиатор!). Поэтому нет смысла уходить за точку оптимума. Попадание в эту точку на этапе проектирования системы может быть только случайным, поскольку задача многопараметрическая. Любое отклонение от неё в ту или другую сторону является основанием для оптимизации режимов работы с целью повышения удельной мощности и КПД вторичного источника.
Современные выпрямители (ВБВ — импульсные) работают в районе точки оптимума и характеризуются удельной мощностью 400 ... 600 Вт/дм³ при частоте преобразования 50 ... 100 кГц. Классические выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, имеют удельную мощность 7 ... 10 Вт/дм³ .
Литература:
Вместе со статьей "Вторичные источники питания" читают:
Ответы на контрольные вопросы лаба №1
Какие преимущества имеет схема двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной?
Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку транзистора в течении каждого полупериода в разных направлениях.
Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума.
В-третьих, его выходное сопротивление вдвое меньше.
В-четвёртых, коэффициент пульсаций меньше и равен 0,67.
В чём преимущество мостовой схемы выпрямителя по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя?
Диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке.
Начертите схему мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром и покажите пути протекания тока.
Сравните свойства сглаживающих LC- и RC-фильтров.
Особенностью LC -фильтров является небольшие потери, позволяющие применить их в устройствах с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC -фильтры. Их недостатком является низкий КПД.
Для чего диоды в выпрямителях могут соединяться последовательно?
Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.
Почему при последовательном соединении полупроводниковых диодов в выпрямителе их шунтируют резисторами?
Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем
Что такое коэффициент сглаживания фильтра и как зависит его величина от ёмкости конденсаторов фильтра и тока нагрузки.
Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания - , где: - коэффициент пульсаций на входе фильтра, - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.
При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный при больших токах нагрузки. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.
С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в случае однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного?
В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсации напряжения на нагрузке равна входной частоте пульсаций (50 Гц), двухполупериодного - в два раза больше (100 Гц).
Какую функцию выполняют конденсаторы C 1 , C 2 и дроссель в сглаживающем фильтре?
Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций напряжения, а дроссели, чтобы емкости этих конденсаторов не складывались.
Приведите пример схемы умножения напряжения.
Схемы с удвоением напряжения:
Как влияет ёмкость конденсаторов фильтра и сопротивление нагрузки на амплитуду пульсации?
При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.
Почему при малом токе нагрузки дроссель плохо сглаживает пульсации на выходе выпрямителя?
При возрастании тока нагрузки происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, при этом увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока. При этом улучшаются сглаживающие свойства фильтра.
Ответы на контрольные вопросы лаба№5
1. При каком включении транзистора входное сопротивление усилительного каскада наименьшее?
Схема с Общей Базой.
2. При каком включении транзистора усилительный каскад имеет наибольшее входное сопротивление?
Схема с Общем Коллектором.
3. Какой усилитель называют эмиттерным повторителем? Каковы его назначения, свойства?
Усилитель с ОК. Эмиттерный повторитель необходим чтоб обеспечить большое входное сопротивление усилителя.
4. Объясните назначение элементов, входящих в схему резистивно-ёмкостного усилителя на транзисторах.
Цепь R Б1 и R Б2 – это делитель напряжения источника постоянного тока. Нужен для подачи на базу напряжения, с помощью которого задаётся ток базы и тем самым устанавливается положение рабочей точки на статические вольтамперные характеристики транзистора.
R К – резистор нагрузки. По постоянному току задаёт напряжение на коллекторе, которое определяет положение рабочей точки транзистора. По переменному является нагрузкой усилителя.
R Э – это резистор температурной стабилизации положения рабочей точки транзистора
С Э – устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.
С Р – разделительные конденсаторы. .
5. Как подаётся смещение на транзистор типа р-n-р при его включении по схеме с общим эмиттером?
В схеме с ОЭ режим транзистора по постоянному току создают: элементы R Э, С Э – цепь температурной стабилизации; R Б1 , R Б2 – делитель, создающий напряжение смещения на базе. Смещение фиксированным напряжением даёт хорошие результаты при замене транзистора и изменении температуры. Однако он не экономичен из-за потери части энергии источника питания в делителе напряжения R Б1 , R Б2 .
6. Что такое активный режим работы транзистора?
Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал. Получить этот режим можно включив эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный в обратном.
7. Что происходит с рабочей точкой транзистора при изменении сопротивления резисторов R Б1 и R Б2 ?
При изменении сопротивления резисторов R 1 и R 2 рабочая точка смещается.
8. Как изменится усиление каскада (схема с ОЭ), если исключить из него конденсатор С Э?
Каскад перестаёт усиливать сигнал.
9. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних и верхних частот сигнала?
В области низких частот искажения зависят разделительной ёмкости С Р. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ёмкостью нагрузки, если она имеется.
10. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных сигналов?
Нелинейные искажения возникают из-за того, что вольтамперные характеристики транзисторов не линейны. В результате в усилителях возникают сигналы которых не было на входе усилителя, частоты этих сигналов кратны частоте входного сигнала и носят названия гармоник. Номер гармоники целочисленный и её амплитуда обычно обратно пропорциональна их номеру.
Ответы на контрольные вопросы лаба №3
Чем отличаются собственная и примесная электропроводности полупроводников?
Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости.
Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. В отличие от случая, рассмотренного выше, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки.
Опишите возникновение и свойства p-n перехода.
p-n переход это тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла. Чтоб изготовить такой переход берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости. В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает p-n переход. Существуют и другие способы получения p-n переходов.
Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.
Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность.
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. И конечно же существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n . В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.
Начертите и поясните вид входных и выходных характеристик транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.
А) Семейство входных характеристик () при При входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу ( и внутреннее сопротивление этой эдс равно нулю. При входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а»
Б) Семейство выходных характеристик () при изображено на рис. 14.2, б. При выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в () раз (где – коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину .
Какие ещё имеются схемы включения биполярного транзистора? Перечислите их основные свойства.
У схемы с ОК, самое большое входное сопротивление и самое маленькое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора. Усилитель на данной схеме не усиливает по напряжению.
У схемы с ОБ, самое маленькое входное сопротивление и самое большое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора.
Перечислите и поясните физический смысл h-параметров транзистора. Как их определить из статических характеристик?
входное
сопротивление, при коротком замыкании
выходной цепи
;
коэффициент
обратной связи по напряжению, при
холостом ходе во входной цепи.
Характеризует внутреннюю обратную
связь между входной и выходной цепями
транзистора;
коэффициент
передачи тока, при котором замыкании
выходной цепи;
выходная
проводимость, при холостом ходе во
входной цепи
Как изменяется коэффициент h 21э при изменении h 21б?
Чем ближе h 21б к единице, тем больше h 21э.
Почему транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, может обеспечить усиление по току?
Величина является основным параметром, определяющим усилительные свойства биполярного транзистора. , так как , то транзистор включённый по схеме с ОЭ усиливает сигнал.
Почему входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой?
В отличии от схемы с ОЭ, в схеме с ОБ входной сигнал поступает на эмиттерный переход, который включён в прямом направлении и не препятствует протеканию тока.
Почему значение h 21э превышает 1?
Потому что .
Какие электрические параметры характеризуют положение рабочей точки на статических характеристиках транзистора?
Каковы особенности активного режима работы транзистора? Какие ещё режимы работы транзистора вам известны?
Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал.
Насыщения – можно получить включив оба p-n перехода в прямом направлении.
Отсечки – можно получить включив оба p-n перехода в обратном направлении.
Вывод: Я исследовал статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его основных параметров. В упражнение 1 при
U КЭ, В=0 график в конце отклонился вверх от других значений.
Контрольные вопросы №1-Ц
Дизъюнкция(ИЛИ) - это сложное логическое выражение, которое истинно, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно и ложно тогда и только тогда, когда оба простых логических вырожения ложны.
Обозначение: F = A + B.
Конъюнкция(И) - это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда оба простых выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложеное выражение ложно.
Обозначение: F = A & B.
Инверсия(НЕ,Орицание) - это сложное логическое выражение, если исходное логическое выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное логическое выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. Другими простыми слова, данная операция означает, что к исходному логическому выражению добавляется частица НЕ или слова НЕВЕРНО, ЧТО
На каких элементах могут быть реализованы основные логические функции?
С помощью только одних элементов ИЛИ - НЕ или только элементов И - НЕ, путем различных включений их друг с другом можно выполнить любую логическую функцию .
Разработайте схемы электромеханических аналогов устройств для реализации логических функций И. ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ.
В чем состоят достоинства интегральных логических схем?
Преимущества ИС является высокая надежность, малые размеры и масса.
Микросхемы экономичны и уменьшают расход электроэнергии и массу ИП
Интегральные схемы безынерционны.
Нарисуйте интегральную схему базового элемента ТТЛ и поясните его работу.
Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.
В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи Eп – R1 – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток Iб нас, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R1 подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока Iб нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.
При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток Iэ и потенциал в точке A, равный, приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток Iб транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).
Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор
При построении аудиосистемы я обратил внимание на интересный факт, мной и другими слушателями было замечено, что на качество звучания аппаратуры влияет время суток, а точнее поздно вечером и рано утром звучание заметно лучше чем днем. В чем причина?!
Думаю, что не секрет, что наша бытовая электрическая сеть (ЭС) оставляет желать лучшего. Так повелось, что главный параметр ЭС, который отслеживают работники электростанций и обслуживающего персонала, это ее частота колебаний 50Гц, а что касается чистоты питающего напряжения и стабильности напряжения в наших домах так тут дела никому нет. Хотя последнее утверждение немного спорное, так как есть ГОСТ 13109-97 и технический регламент на параметры электрической сети. Я на собственном опыте почувствовал отход от параметров установленных в ГОСТ по электропитанию, когда мой ЦАП отказывался стабильно работать и это понятно, так как напряжение в ЭС снижалось до 180В, это хорошо отслеживалось по снижению яркости свечения ламп накаливания в доме. Все дело в том, что я живу в частном доме и для меня не редкость, когда напряжение в сети падает до 20%. Еще один недостаток ЭС был в том, что частые сварочные и другие работы соседей тоже вносили свою лепту в "экологию" питания аппаратуры.
Частично решить эту проблему можно с помощью стабилизатора напряжения, но он не спасет от загрязненного питания, так как автотрансформатор в составе этих устройств не способен работать в качестве фильтра НЧ.
Мои поиски необходимых устройств не дали желаемого результата, так как тема посвященная чистоте ЭС освещается крайне редко и на форумах по радиоэлектронике тоже мало информации. В продаже есть регенераторы питания, но они либо сильно дороги или часто сделаны на основе ИБП. Достоинство данных изделий перекрывается их недостатком, а именно большим шумом импульсного преобразователя и сильный отход от формы синусоиды выходного сигнала.
После некоторых размышлений, я решил разработать собственный регенератор сетевого питания (РСП), удовлетворяющий моим требованиям, а именно:
Сразу поясню, что 100Гц частота была выбрана неслучайно. Определяющим фактором послужил оптимальный режим работы нагрузки РСП на этой частоте, а именно звуковоспроизводящая аппаратура или ЦАП как в моем варианте.
Дело в том, что при повышения частоты напряжения питания силовых трансформаторов подключаемых устройств к РСП происходит улучшение режима их работы, а именно:
Все это способствует к улучшению звуковых свойств питаемой аппаратуры, но об этом ниже.
Еще одно преимущество частоты питания 100Гц это улучшение работы выпрямителя питающего устройства, так как после диодного моста пульсирующие напряжения получается в 2 раза чаще чем при питании непосредственно от бытовой сети 220В 50Гц и оно равно 200Гц. А из теории известно, что при увеличении частоты пульсации напряжения емкость сглаживающего фильтра после него можно уменьшить так как конденсатору легче сгладить пульсации выпрямленного напряжения большей частоты. Кстати этим обусловлено меньшая емкость сглаживающего конденсатора в импульсных блоках питания.
Ниже приведена схема для измерения пульсаций рис. 1 и осциллограммы, которые показывают процесс работы диодного моста с отключенный конденсатором C1 с частотой питания 50Гц рис. 2а и с частотой питания 100Гц рис. 2б.
Рис. 1 Схема для измерения пульсаций
Рис. 2а Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 50Гц
Рис. 2б Процесс работы диодного моста без сглаживающего конденсатора C1 c частотой питания 100Гц
Ниже приведены осциллограммы работы схемы измерения пульсаций на нагрузке с конденсатором C1при напряжении питания с частотой 50Гц рис 3а, а также 100Гц рис. 3б.
Рис. 3а Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 50Гц
Рис. 3б Напряжение пульсации на нагрузке при питании схемы напряжением с частотой 100Гц
Из рис. 3а и рис.3б, видно, что при питании фильтра с нагрузкой частотой в два раза выше, пульсации снижаются в 1,65раза
Пульсации при 100Гц получаются 3,34V/2,02V = 1,65 раза меньше чем при питании от ЭС 50Гц.
Вернемся непосредственно к схеме РСП, в качестве генератора синусоидального напряжения я использовал мост Вина, а в качестве УМ применил схема на полевых транзисторах с выходной мощностью порядка 100Вт этого вполне достаточно для моих нужд. В блоке питания РСП применен трансформатор 250Вт и диодный мост с блоком фильтра общей емкостью 39600мкф, что является более чем достаточно для данного решения. Схема блока питания представлена на рис.4
Рис. 4 Блок питания РСП
Принцип работы РСП следующий:
При включении питания РСП происходит заряд емкостей БП и становление рабочего режима генератора синусоидальных колебаний рис.6, в это время работает soft-start создавая задержку подачи входного сигнала с генератора на УМ с помощью контактов реле замыкающих цепь выхода генератора и входа УМ.
Время работы схемы soft-start рис. 5, задается с помощью цепи R2, С4 и рассчитывается по формуле r=R2(Mom)xC4(mkF)=t(секунд).
Рис. 5 Схема Soft-start
По истечении времени установленного в схеме soft-start 2секунды в моем варианте, выходные усиленные колебания в УМ с частотой 100Гц подаются на повышающий трансформатор Тр1.
Намоточные данные повышающего трансформатора Тр1 следующие:
Магнитопровод марки ОЛ55/100-40.
Габаритная мощность магнитопровода Pгаб. = 227Вт
Число витков в первичной обмотке w1=30витков, провод ПЭВ2 1,2мм
Число витков во вторичной обмотке w2=600витков, провод ПЭВ2 0,51мм
Рассмотрим работу генератора синусоидальных колебаний.
Схема генератора представлена на рис. 6. Данная схема представляет собой генератор синусоидального напряжения. Цепь R1, C1 и R2, C2 задает частоту колебаний, с указанными элементами на схеме эта частота равна 50Гц, для лучшей симметрии эти элементы должны быть достаточно точные, не хуже ±1%. Резистор R19 необходим для регулировки амплитуды выходного сигнала.
Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний
После генератора синуса следует УМ для РСП, его схема представлена на рис. 7
Рис.7 Усилитель мощности для РСП
Как видно из схемы, в состав УМ входит микросхема DA1, это ОУ от которого особенно зависит уровень искажений всего усилителя, по этой причине в данном схеме желательно ставить ОУ с низкими шумами, например NE5534 с уровнем шума 5nV√Hz. Транзисторы VT1 и VT2 необходимы для предварительной раскачки сигнала по току необходимого для выходных транзисторов VT3, VT4. Ток холостого хода задается подстроечным резистором R5, в моем варианте он равен 20mA.
Вообще в качестве УМ для этих целей идеально подходит УМ в классе "D". Его неоспоримые преимущества, а именно малое рассеивание энергии на тепло (высокий КПД) и как следствие меньшие масса и габариты делают его предпочтительнее в этой схеме. Но у таких схем есть недостатки, это дополнительная сложность намотки трансформаторов и настройки усилительного каскада. Поэтому мной было решено сделать УМ по классической схеме с минимальным током покоя для данной схемы, порядка 20мА.
Ниже приведена форма сетевого напряжения в ЭС рис.8а и после РСП рис.8б на активной нагрузке 40Вт, а также спектрограммы гармонических искажений непосредственно в ЭС рис. 9а и после РСП рис.9б.
Рис. 8а Форма напряжения в бытовой ЭС слева и его спектрограмма справа
Рис. 8б Форма сетевого напряжения на выходе трансформатора РСП слева и его спектрограмма справа
Из осциллограмм и спектрограмм видно, что РСП обладает заметно лучшим качеством синусоидального напряжения. Еще один плюс данного устройства как было описано выше, отсутствие подмагничивания на питающей стороне, так как согласующий трансформатор не способен пропустить постоянную составляющую.
Гальваническая развязка выходным трансформатором также улучшает ситуацию питания аппаратуры. Дело в том, что многие пренебрегают фазировкой питающих трансформаторов аудиоаппаратуры. По моему мнению, фазировать необходимо каждый силовой трансформатор, особенно в аппаратуре без заземления, так как при неправильной фазировке силовых трансформаторов, например УМ и источника звука (ЦАП, проигрыватель) происходит перетекание токов по оплетке межблочного кабеля с частотой 50Гц. Это легко проверить с помощью цифрового мультиметра хорошей чувствительности, для этого необходимо замерить переменное напряжение на корпусе включенного прибора относительно заземления на каждом аппарате отдельно, предварительно отключив от него все соединительные провода, кроме питающих.
При неправильной фазировке силовых трансформаторов, звучание аппаратуры ухудшается. Многие солидные производители аудиоаппаратуры в своих устройствах используют индикаторы правильного включения фазы.
Рис. 9 Фотографии РСП в сборе
Заключение
Регенераторы сетевого питания действительно улучшают звучание аудиосистемы, так как качественное питания источника звука (ЦАП, проигрывателя) очень сильно сказывается на его работу, ведь именно источник звука имеет наибольшее разрешение во всей системе, а этот параметр сложно реализуем с плохим питанием. Также я хотел отметить, что данное устройство можно использовать и для других целей, например как стабилизатор переменного напряжения. Один мой знакомый использовал схемотехнику РСП для питания двигателя переменного тока в проигрывателе виниловых пластинок, так как в его двигателе частота вращения ротора прямо зависела от частоты питающего напряжения и он подстраивал точные обороты двигателя с помощью перестройки частоты генератора синусоидального напряжения.
Смирнов Алексей Николаевич (), e-mail: [email protected]
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Рис. 1 Схема для измерения пульсаций | |||||||
| VD1 | Диодный мост | 1 | В блокнот | ||||
| С1 | 47 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 75 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Генератор | 1 | В блокнот | |||||
| Осциллограф | 1 | В блокнот | |||||
| S1 | Выключатель | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 4 Блок питания РСП | |||||||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7815 | 1 | В блокнот | |||
| VR2 | Линейный регулятор | LM7915 | 1 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Диод | 20ETS08 | 4 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Выпрямительный диод | DF08MA | 8 | В блокнот | |||
| С1-С4 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 4 | В блокнот | |||
| С5, С8 | Конденсатор | 100 нФ | 2 | В блокнот | |||
| С6, С7 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| С9-С16 | Электролитический конденсатор | 4700 мкФ | 8 | В блокнот | |||
| С17, С18 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| С19, С20 | Конденсатор | 1 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1, R2, R5, R6 | Резистор | 10 Ом | 4 | В блокнот | |||
| R3, R4, R7, R8 | Резистор | 100 Ом | 4 | В блокнот | |||
| R9-R12 | Резистор | 0.5 Ом | 4 | 5 Вт | В блокнот | ||
| T1 | Трансформатор | 250 Вт | 1 | В блокнот | |||
| T2 | Трансформатор | 20 Вт | 1 | В блокнот | |||
| S1 | Выключатель | 1 | В блокнот | ||||
| Вилка сетевая | 1 | В блокнот | |||||
| XT1, XT2 | Разъем | 2 | В блокнот | ||||
| Разъем | Gen Power | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 5 Схема Soft-start | |||||||
| D1 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | |||
| D1 | Микросхема | MC14069U | 1 | В блокнот | |||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ972А | 1 | В блокнот | |||
| VD1-VD4 | Диодный мост | DF08S | 1 | В блокнот | |||
| VD5 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | |||
| С1 | Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С3, С5, С6 | Конденсатор | 100 нФ | 3 | В блокнот | |||
| С4, С7 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 330 Ом | 1 | подбор | В блокнот | ||
| R2 | Переменный резистор | 200 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R4, R5 | Резистор | 10 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R6 | Резистор | 220 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Rel1 | Реле | 1 | В блокнот | ||||
| Рис. 6 Генератор синусоидальных колебаний | |||||||
| D1 | Операционный усилитель | TL072 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | MOSFET-транзистор | BF245A | 1 | В блокнот | |||
| VD1, VD2 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| VD3 | Стабилитрон | 1N750 | 1 | В блокнот | |||
| С1-С3 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 3 | В блокнот | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С5 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С6, С7 | Электролитический конденсатор | 220 мкФ 16 В | 2 | В блокнот | |||
| С8, С9 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| R1, R2, R7 | Резистор | 5.1 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4, R11 | Резистор | 2 кОм | 2 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор | 62 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Резистор | 8.2 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R8 | Резистор | 36 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R9 | Резистор | 1 МОм | 1 | В блокнот | |||
| R10 | Резистор | 68 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R12, R13 | Резистор | 100 Ом | 2 | В блокнот | |||
| R19 | Переменный резистор | 22 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Разъем | Gen signal | 1 | В блокнот | ||||
| Разъем | Gen power | 1 | В блокнот | ||||
| Рис.7 Усилитель мощности для РСП | |||||||
| DA1 | Операционный усилитель | TL071 | 1 | В блокнот | |||
| VR1 | Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | |||
| VR2 | Линейный регулятор | LM7912 | 1 | В блокнот | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ815А | 1 | В блокнот | |||
| VT2 | Биполярный транзистор | ||||||
2. Вторичные источники электропитания.
Основные схемы, параметры и характеристики
2.1. Структурная схема ВИЭПа
Выпрямительные устройства преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке. Они применяются в качестве вторичных источников электропитания (ВИЭП), структурная схема которого представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структурная схема ВИЭПа
Силовой трансформатор Тр понижает переменное напряжение сети U 1 частотой f=50 Гц до необходимого значения U 2 . Кроме того трансформатор осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки ВИЭПа. Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U 2 в выпрямленное пульсирующее напряжение одной полярности U d . Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения U d . Стабилизатор Ст поддерживает неизменным выходное постоянное напряжение U вых при колебаниях напряжения сети U 1 или изменении нагрузки ВИЭПа.
2.2. Основные схемы выпрямления
В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.
В источниках питания постоянного тока средней (до 1000 Вт) и больше (свыше 1000 Вт) мощности используются выпрямительные устройства, запитываемые трёхфазным напряжением. Трёхфазный выпрямитель может быть выполнен НПО однополуперионной схеме на трёх диодах или по двуполупериодной схеме на шести диодах, которую называют трехфазной мостовой или схемой Ларионова.
2.3. Однофазные схемы выпрямления
2.3.1. Однополупериодная схема выпрямления
Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.2) является простейшей. Полупроводниковый диод VD1 , обладающий односторонней проводимостью, включается последовательно с нагрузкой R d .
Рис. 2.2. Однополупериодная схема выпрямления
Временные диаграммы (рис. 2.3) напряжений и токов выпрямителя показывают, что в такой схеме ток i d через нагрузку протекает только в течение положительного полупериода напряжения u 2 , поступающего со вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.3 а, б). В результате на нагрузке R d появляется пульсирующее напряжение u d положительной полярности (рис. 2.3 в). В отрицательный полупериод напряжения u 2 диод VD1 закрывается, ток i d =0 и диод оказывается под воздействием обратного напряжения u 2 , максимальное значение которого равно амплитуде U 2 m , т. е. напряжение на диоде (рис. 2.3 г).
Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузке u d описывается выражением в диапазонах и т.д. и может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих
Несинусоидальная переменная составляющая может быть представлена рядом гармоник, т. е. рядом синусоидальных составляющих с увеличивающейся с порядковым номером частотой и убывающей амплитудой. Тогда пульсирующее напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда Фурье
Рис. 2.3. Временные диаграммы однополупериодной схемы
который для однополупериодной схемы выпрямления запишется в виде выражения:
С помощью ряда Фурье определяются основные параметры схемы выпрямления.
Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода за период напряжения сети
Среднее значение пульсирующего тока в нагрузке определяется выражением: .
Переменная составляющая выпрямленного напряжения характеризуется своим максимальным значением (основной гармоникой): , где 
– амплитуда основной гармоники.
Эффективность работы выпрямителя определяется величиной коэффициента пульсаций , который определяется отношением амплитуды основной гармоники U m к среднему значению выпрямленного напряжения
При этом частота пульсаций основной гармоники совпадает с частотой пульсаций выпрямленного напряжения и равна частоте напряжения сети: 
Достоинство однополупериодной схемы – простота. Недостатки: большие габариты трансформатора, большой коэффициент пульсаций, низкая частота основной гармоники. Поэтому такая схема выпрямления находит ограниченное применение, в основном для питания цепей малой мощности и высокого напряжения, например: электронно-лучевых трубок.
2.3.2. Двухполупериодная схема со средней точкой
Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 2.4) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, диоды которых работают на общую нагрузку.
Рис. 2.4. Двухполупериодная схема со средней точкой
При подаче напряжения u 1
на первичную обмотку трансформатора на каждой половине вторичной обмотки возникают напряжения u 21
, u 22
(рис. 2.5 а). Вторичные обмотки W 21
и W 22
включены последовательно и согласно. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.5 б, в). В первый полупериод 
к диоду VD1
приложена положительная полуволна напряжения u 21
, в цепи диод - обмотка W 21
протекает ток i 21
(см. рис. 2.5 б). Диод VD2
в это время закрыт, так как к нему через открытый в это время диод VD1
приложено обратное напряжение обеих обмоток трансформатора 
(рис. 2.5 е). В следующий полупериод 
откроется диод VD2,
и ток i 22
будет протекать по цепи диод - обмотка W 22
. (см. рис. 2.5 в). Таким образом, через сопротивление нагрузки Rd
поочередно проходят в одном и том же направлении токи i 21
и i 22
. В результате на нагрузке R d
образуются полуволны тока i d
и напряжения u d
одного и того же знака (рис. 2.5 г, д).
Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение однополупериодной схемы, является пульсирующим, т. е. может быть разложено в гармонический ряд Фурье.
Где – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке. При работе выпрямителя в режиме холостого хода, определяется выражением:
Рис. 2.5. Временные диаграммы для схемы со средней точкой
Отсюда действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:
Величина выпрямленного тока I d определяется выражением:
Амплитуда тока во вторичной обмотке трансформатора 
а действующее значение 
.
В двухполупериодной схеме уменьшилась амплитуда основной гармонической составляющей до величины , а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:
.
Из временных диаграмм (см. рис. 2.5 а, д) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимального значения U 2 m два раза за период выпрямляемого напряжение. Поэтому частота пульсаций напряжения нагрузки U d равна удвоенной частоте напряжения сети:
В схеме выпрямления со средней точкой токи во вторичных обмотках протекают поочередно (в обмотке W 21 от конца к началу, а в обмотке W 22 от начала к концу), поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается и в первичной обмотке действует чисто синусоидальный ток, что приводит к снижению типовой мощности и лучшему использованию трансформатора. По сравнению с однополупериодной схемой выпрямления в два раза увеличилось значение выпрямленного напряжения U d и тока I d , уменьшился коэффициент пульсаций.
Недостатки схемы: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки, необходимость симметрирования вторичных обмоток для обеспечения равенства большое обратное напряжение на диодах, увеличение габаритов трансформатора.
2.3.3. Двухполупериодная мостовая схема
В рассматриваемой схеме (рис. 2.6) выпрямитель состоит из четырех полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки R d . Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d ), отрицательным – точка соединения анодов (точка с ).
Рис. 2.6. Двухполупериодная мостовая схема
Работа схемы показано на рис. 2.7, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 2.7а)
; 
В положительный полупериод питающего напряжения 
потенциал точки а
положителен, а точки b
– отрицателен. Диоды VD1
и VD3
будут включены в прямом направлении и импульс тока i 13
будет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1,
нагрузку R d
и через открытый диод VD3
к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.6). Форма этого тока будет повторять форму тока i 2
вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R d
, импульс тока i 13
выделяет на ней напряжение u d
(рис. 2.7д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2
и VD4
заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого 
(рис. 2.7е).
При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2
подключается к « + », а катод диода VD4
к « – » напряжения (см. рис. 2.6). Теперь в течение второго полупериода 
под воздействием прямого напряжения будут
Рис. 2.7. Временные диаграммы для мостовой схемы
находиться диоды VD2
и VD4
,а диоды VD1
и VD3
заперты обратным напряжением (см. рис. 2.7ж).
В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R d будет проходить импульс тока i 24 (см. рис. 2.7в) такой же формы как импульс тока i 13 , выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 2.7д).
Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R d
проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки 
(см. рис. 2.7г), под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 2.7д), такого же вида, как для схемы со средней точкой, Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:
Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:
При расчете выпрямленного тока I d через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:
Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:
следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:
Амплитуда основной гармонической составляющей уменьшилась по сравнению с однополупериодной схемой, а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:
.
Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для схем со средней точкой 
, а для однополупериодной и мостовой схемы - . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : В однополупериодной схеме через диод и нагрузку протекает одинаковый ток:
Мостовая схема является основной схемой для однофазных выпрямителей. Она может использоваться без трансформатора, то есть включаться непосредственно в цепь переменного тока, если напряжение сети обеспечивает требуемую величину выпрямленного напряжения. При работе с трансформатором импульсы токов i 13 и i 24 во вторичной обмотке трансформатора направлены навстречу друг другу, поэтому их постоянные составляющие компенсируются, а трансформатор работает в режиме без постоянного подмагничивания. По сравнению со схемой со средней точкой мостовая схема имеет меньшие габариты трансформатора, так как на вторичной стороне помещается только одна обмотка.
2.4. Сглаживающие фильтры
Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах 
. Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.
С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление () для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.
Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра
Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
В зависимости от способа включения конденсатора и индуктивности различают следующие виды фильтров: емкостные (рис. 2.8 а), индуктивные (рис. 2.8 б), Г-образные (рис. 2.8 в), Г-образные (рис. 2.8 г).
Рис. 2.8. Электрические схемы сглаживающих фильтров
На рис. 2.9 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного выпрямителя при работе без фильтра (рис. 2.9 а), при включении емкостного (рис. 2.9 б) и индуктивного (рис. 2.9 в) фильтров.
Рис. 2.9. Временные диаграммы при работе: а) без фильтра;
б) с емкостным фильтром; в) с индуктивным фильтром
При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки . Зарядка конденсатора происходит током i d
протекающим через диод в течение небольшого промежутка времени, когда мгновенное значение пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (рис. 2.9 а) выше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе). Постоянная времени заряда конденсатора определяется емкостью конденсатора фильтра и небольшим сопротивлением, равным сумме прямого сопротивления открытых диодов и приведенного ко вторичной обмотке активного сопротивления трансформатора. Когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 2.9 б). При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки постоянная времени разрядка конденсатора значительно больше постоянной времени его зарядки. При этом разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 2.9 б) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах. увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения 
при большой емкости конденсатора.
Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :
Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.
При включении последовательно с нагрузкой индуктивного фильтра (рис. 2.8 б) изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит электродвижущую силу самоиндукции . В соответствии с принципом Ленца электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, а следовательно, и пульсации напряжения нагрузки (рис. 2.9 в). Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.
Величину индуктивности фильтра выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление было значительно больше величины сопротивления нагрузки .
Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные сглаживающие фильтры (рис. 2.8 в, г). Однако при использовании этих фильтров уменьшается величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке за счет падения части напряжения на активных сопротивлениях обмотки дросселя или .
2.5. Внешняя характеристика выпрямительного устройства
Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:
где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для схемы со средней точкой , для мостовой – , – падение напряжения на открытом диоде.
Внешняя характеристика 1 (рис. 2.10) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром, а при включении в схему Г-образного LC фильтра получается характеристика 3. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .
Рис. 2.10. Внешние характеристики выпрямительного устройства
Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивление и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки . При включении Г – образного LC фильтра дополнительное снижение напряжения на нагрузке вызвано падением напряжения на последовательном включенном индуктивном фильтре.
2.6. Трехфазные схемы выпрямления
2.6.1. Трехфазная схема выпрямления со средней точкой
Трехфазную схему выпрямления со средней точкой (рис. 2.11) называют также трехфазной однотактной схемой, поскольку выпрямлению подвергается только одна из полуволн переменного напряжения каждой фазы. В трехфазную схему выпрямления входит трансформатор, первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки – только в звезду. Концы a , b , c вторичных обмоток трансформатора соединены с анодами трех диодов VD 1, VD 2, VD 3. Катоды диодов соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки, а вывод средней точки трансформатора – отрицательным полюсом.
Рис. 2.11. Схема выпрямления
Работа выпрямителя на активную нагрузку.
Первоначально допустим, что нагрузка схемы выпрямления активная, т.е. X d
= 0. Для упрощения будем считать диоды и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико, активное сопротивление и индуктивность рассеяния X a
обмоток трансформатора и индуктивность питающей сети принимаем равными нулю. Тогда переход тока с одного диода на другой считаем мгновенным. Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 2.12. Из временной диаграммы (см. рис. 2.12 а) видно, что напряжения u
2 a
, u
2 b
, u
2 c
сдвинуты по фазе на одну треть периода (2p/3) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Диоды схемы работают попеременно по 1/3 периода (2p/3). В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Это справедливо для случая соединения диодов в катодную группу. Ток в каждом диоде протекает в течение 1/3 периода (2p/3) и прекращается тогда, когда потенциал анода работающего диода становится ниже потенциала катодов. Диод закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение u b
(см. рис. 2.12 в). Переход тока от одного диода к другому происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г на рис. 2.12а). Выпрямленный ток i d
проходит через нагрузку R d
непрерывно и складывается из чередующихся анодных токовi a
1 , i a
2 , i a
3 . Мгновенное значение выпрямленного напряжения u d
(см. рис.2.12б) в каждый момент определяется мгновенным значением напряжения той фазы, с которой соединен работающий диод. Выпрямленное напряжение u d
представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений u
2 вторичной обмотки трансформатора Т. Кривая выпрямленного тока i d
при X a
= 0, X d
= 0 повторяет кривую выпрямленного напряжения. Форма кривой тока i a
в диоде VD
1 изображена на рис. 2.12в. Ток диода VD
1 в этом случае будет являться также и током i
2 a
вторичной обмотки трансформатора. Кривая обратного напряжения u b
1 на диоде VD
1 формируется из участков синусоид линейных напряжений (u ab
, u с a
), т.к. анод неработающего диода присоединен к одной из фаз, а катод через открытый диод – к другой фазе вторичной обмотки. Мгновенные значения междуфазного (линейного) напряжения соответствуют ординатам площади, заштрихованной на рис. 2.12а. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения u b
1 , на диоде VD
1 (см. рис. 2.12 в). 
S Т
= = 1,345P d
,
где S 1 = 3U 1 I 1 = 1,21P d – расчетная мощность первичной обмотки трансформатора;
S 2 = 3U 2 I 2 = 1,48P d – расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора;
P d = U d I d – мощность в нагрузке.
В трехфазном выпрямителе со средней точкой имеет место явление вынужденного намагничивания магнитопровода трансформатора, т.к. токи вторичных обмоток трансформатора i 2 a , i 2 b , i 2 c содержат постоянную составляющую, равную I d , которая создает в каждом стержне магнитопровода однонаправленный поток вынужденного намагничивания трансформатора. Этот поток, пульсируя с тройной частотой по отношению к частоте питающей сети, замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора, вызывая их нагрев. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет вихревых токов, индуцируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Насыщение магнитопровода трансформатора приводит к резкому увеличению намагничивающего тока (тока холостого хода) трансформатора. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода. Однако это приводит к завышению массогабаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора необходимо соединять «треугольником». При этом в потоке вынужденного намагничивания остается только постоянная составляющая; переменная же составляющая с явно выраженной третьей гармоникой компенсируется потоками, которые создают токи высших гармоник с частотой, кратной трем, содержащиеся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающиеся по контуру, образованному этими обмотками. Расчетная мощность трансформатора при соединении обмоток «треугольником» не изменяется.
2.6.2.Трехфазная мостовая схема
Значительное количество выпрямителей трехфазного тока выполняется по мостовой схеме (схеме Ларионова), содержащей трехфазный трансформатор и выпрямительный блок из шести диодов (рис. 2.13.) Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться по схеме звезды или треугольника. Вместе с тем мостовая схема выпрямления может применяться и без трансформатора. Диоды в выпрямительном блоке разделяют на две группы:
1) катодную, или нечетную (диоды VD 1, VD 3, VD 5), в которой электрически связаны катоды диодов и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;
2) анодную, или четную (диоды VD 2, VD 4, VD 6), в которой электрически связаны между собой аноды диодов, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов.
Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других диодов в катодной группе, а в анодной группе − диод, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других диодов анодной группы.
Рис. 2.13. Схема выпрямления
Работу схемы можно проследить с помощью временных диаграмм рис. 2.14. Так как режимы работы схемы на активную и активно-индуктивную нагрузку отличается незначительно, то анализ работы схемы проведем для наиболее распространенной активно-индуктивной нагрузки, принимая X a = 0, X d = 0. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 2.14а), а диоды анодной группы − в момент пересечения отрицательных участков кривых фазных напряжений (точки к, л, м, н). Каждый диод открыт в течение одной трети периода . При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток на
Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).
Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток, как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.
Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.
В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.
Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.
Нулевая схема выглядит так:
Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.
Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z н =R н. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R н. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.
Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.
Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:
И выпрямленное напряжение U d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m -2). Если нагрузка активное сопротивление R н, то и ток в нем i d , будет повторять кривую напряжения.
Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.
Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:
Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):
В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:
Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. у нее есть еще несколько преимуществ.
Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую (в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).
Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку U d и среднее значение тока в нем I d .
Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку U d считаем заданным, то
Из предыдущего выражения имеем:
Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:
Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть
Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки:
Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому.
