Коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя – Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения

Содержание

Лаб_раб №4. Выпрямитель

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Исследование однополупериодного и двухполупериодного мостового выпрямителя

Цель работы: Определить коэффициенты пульсаций напряжений в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях без емкостного фильтра и с емкостным фильтром. Исследовать зависимость выходных напряжений от токов в нагрузках выпрямителей.

Список литературы

  1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учебн. пособие. – изд-во Феникс, 2000. – 448 с.

Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе

Устройство, преобразующее переменный ток в постоянный называется выпрямителем. Выпрямитель состоит из трех основных функциональных элементов: трансформатора, системы вентилей и сглаживающего фильтра. Трансформатор предназначен для преобразования величины стандартного напряжения U

1=220В до напряжения U2, необходимого для получения постоянного выпрямленного напряжения U0.

Система электрических вентилей предназначена для преобразования переменного тока в пульсирующий ток. Электрическим вентилем называется прибор, проводящий ток в одном направлении. В качестве вентилей используются полупроводниковые диоды.

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения (сглаживания)

пульсаций выпрямленного напряжения до величины, необходимой для нормальной работы потребителя. т.е. для преобразования пульсирующего напряжения в постоянное.

На рис.4.1. изображена схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Она состоит из двухблочного трансформатора, полупроводникового диода, сопротивления нагрузки.

Рис 4.1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

В этой схеме диод пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды переменного напряжения U2, на нагрузочном сопротивлении Rн возникает пульсирующее напряжение Uвых, близкое по значению и форме к положительным полусинусоидам напряжения U

2 (отличающееся на потерю напряжения в диоде).

На рис.4.2 показана форма напряжения в сопротивлении нагрузки.

Рис. 4.2. Форма напряжения в сопротивлении нагрузки

Пульсирующее напряжение на сопротивлении нагрузки равно сумме постоянной составляющей ряда гармонических составляющих, т.е. ряда синусоидальных составляющих с увеличивающейся частотой и уменьшающейся амплитудой.

(4.1)

где Umвых – амплитуда напряжения на нагрузке, – угловая частота, – частота напряжения сети.

Первое слагаемое в формуле (4.1) называется постоянной составляющей

.

Второе слагаемое называется первой или основной гармонической, остальные слагаемые – высшими гармоническими.

Степень пульсаций выпрямленного напряжения можно характеризовать коэффициентом пульсаций

, (4.2)

где U m1– амплитуда основной, наиболее ярко выраженной гармонической выходного напряжения.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя даёт очень высокий коэффициент пульсаций

.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой даёт меньше пульсаций. Эта схема изображена на рис. 4.3. Схема представляет собой два параллельно соединённые однополупериодные выпрямителя. Рассматриваемая схема может использоваться только с трансформатором, имеющим отвод от средней точки вторичной обмотки.

Рис. 4.3. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя

Диоды VD1 и VD2 работают поочерёдно, пропуская ток в разные половины периода. Направление тока через сопротивление, как в первую, как и во вторую половину периода одно и тоже. На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака. Форма напряжения на сопротивлении нагрузки показана на

рис.4.4.

Рис. 4.4. Форма напряжения на сопротивлении нагрузки.

Выходное напряжение при двухполупериодном выпрямлении можно представить в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих.

Частота основной, наиболее ярко выраженной гармоники равна 100Гц.

Коэффициент пульсаций в схеме двухполупериодного выпрямителя

. (4.3.)

Величина коэффициента пульсаций в схеме

.

Тот же эффект двухполупериодного выпрямления можно получить без применения трансформатора с помощью так называемой однофазной мостовой схемы выпрямителя (

рис.4.5). В этой схеме к одной диагонали моста, образованного четырьмя диодами, подключена нагрузка, а к другой диагонали подключен источник переменного напряжения. В положительном полупериоде переменного напряжения U2 открыты и пропускают ток диоды VD1 и VD2. Диоды VD3 и VD4 закрыты. При отрицательном полупериоде переменного напряжения диоды VD3 и VD4 открыты, а диоды VD1 и VD2 закрыты. На нагрузке, как и в предыдущем случае, образуются полсинусоиды напряжения.

+

Рис. 4.5. Схема однофазного мостового выпрямителя.

Из-за падений напряжения на элементах выпрямителя от протекания токов выходное напряжение уменьшается с ростом тока нагрузки. Поэтому нагрузочная характеристика выпрямителя имеет спадающий характер.

Сглаживающие фильтры уменьшают пульсации выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор, включаемый параллельно нагрузке. Емкостное сопротивление конденсатора на частоте первой гармоники пульсации должно быть много меньше сопротивления нагрузки. Конденсатор заряжается, накапливает энергию в моменты времени, когда возрастает напряжение и ток в нагрузке и отдает накопленную энергию в нагрузку, когда напряжение и ток в нагрузке уменьшается. Происходит замедление спада напряжения. Применение емкостного фильтра приводит к уменьшению коэффициента пульсации и увеличению постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

На рис.6 изображена форма напряжения на емкостном фильтре в схеме мостового выпрямителя, где ΔUc– переменная составляющая напряжения на конденсаторе, U0 – постоянная составляющая.

Рис. 4.6. Форма напряжения на емкостном фильтре на сопротивлении нагрузки.

Коэффициент пульсаций в схеме с фильтром определяется по формуле (4.4) при максимальном значении ΔUc.

. (4.4)

Экспериментальная часть

Приборы и оборудование:

  1. Универсальный переносной стенд

Схемы исследуемых цепей приведены на рис. 4.7а и рис 4.7б

На рис.4.7а изображена исследуемая схема однополупериодного выпрямителя (зона 2), а на рис.4.7б – схема однофазного мостового выпрямителя (зона 3).

Рис. 4.7. Схемы исследуемых цепей.

Порядок выполнения работы

  1. Включите стенд. Миллиамперметр подключите к гнёздам I, вольтметр к гнёздам Uвых зоны 2. Изменяя сопротивление нагрузки R1, измерьте значение выходного напряжения и тока нагрузки. Полученные данные запишите в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Постройте график

  1. Подключите осциллограф к гнёздам Uвых зоны 2 и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения. Измерьте амплитуду выходного напряжения Uвых. Переключая вход осциллографа с «~» на «¯», измерьте скачок осциллограммы. Величина скачка равна постоянной составляющей выходного напряжения U0. По формуле (4.2) вычислите коэффициент пульсаций.

  2. Подключите к гнёздам Uвых зоны 2 конденсатор. К тем же гнёздам подключите осциллограф, зарисуйте осциллограмму напряжения на конденсаторе. Измерьте постоянную и переменную составляющие напряжения на конденсаторе. Вычислите коэффициент пульсаций по формуле (4.4).

  3. Подключите миллиамперметр к гнёздам I, вольтметр к гнёздам Uвых зоны 3. Измерьте величины выходного напряжения и тока нагрузки при изменении сопротивления R1. Полученные данные запишите в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

Постройте график

  1. Подключите осциллограф к гнёздам Uвых зоны 3 и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения. Измерьте амплитуду и постоянную составляющую выходного напряжения осциллографом и вычислите по формуле (4.3) коэффициент пульсаций.

  2. Подключите к гнёздам Uвых зоны 3 конденсатор. Зарисуйте осциллограмму напряжения на конденсаторе. Измерьте постоянную и переменную составляющие напряжения на конденсаторе. Вычислите коэффициент пульсаций по формуле (4.4).

Контрольные вопросы

1. Чем отличается однополупериодный выпрямитель от двухполупериодного?

2. Схема двухполупериодного выпрямителя. Назначение отдельных элементов.

3. Мостовая схема выпрямителя. Принцип работы схемы.

4. Что понимают под коэффициентом пульсации.

5. Каким образом емкостной фильтр влияет на коэффициент пульсации?

6. Почему напряжение на нагрузке выпрямителя уменьшается при увеличении тока?

14. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

-26-

неизменным по направлению, но изменяющимся по величине во времени. Временные диаграммы изменения напряжений и токов, соответствующих однополупериодному выпрямителю, представлены на рис. 7.4.

Качество выпрямления оценивается коэффициентом пульсации. Для рассматриваемой однополупериодной схемы выпрямления:

K

=

Ai

=

I m π

=

π

=1,57

I ср

2 I m

2

n

 

 

 

 

Это означает, что амплитуда Аi переменной составляющей выпрямленного тока в 1,57 раза больше постоянной составляющей Iср.

Реальный диод должен выдерживать максимальное обратное напряжение выпрямителя, то есть при выборе диода для выпрямителя следует выбирать

U m>U обр.m=3,14U ср

Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой.

-27-

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку.

В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в течение той части периода, когда анод имеет более высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт.

За период входного напряжения u1 или вторичного напряжения u2 в один полупериод диод VD1 проводит ток i’2, а в другой полупериод — проводит ток i»2 диод VD2. В результате временные диаграммы токов и напряжений приобретают вид, представленный на рисунке 7.6.

Пульсация тока

при

двухполупериодной схеме значительно уменьшается, так как коэффициент пульсации в этом случае равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-28-

K

n

=

Ai

=0,667 , где

I

 

=

2Im

 

I ср

ср

π

 

 

 

 

 

 

A

=

4Im

 

— амплитуда основной гармоники выпрямленного тока.

i

 

 

 

 

 

 

 

 

По сравнению со схемой с нулевой точкой, мостовая схема обладает меньшей на 20% расчётной мощностью, а внешняя характеристика мостовой схемы является менее жёсткой, чем в однополупериодной и двухполупериодной с нулевой точкой схемах выпрямителей.

Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя переменного тока:

16. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

U1 U2

— +

Д1

RH

UH

Д2

i1

i2

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U2 на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д1. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д2. Таким образом, диоды Д1 и Д2 будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=Im(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I0=2/π Im. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U0=2U2m/π=2√2 ∙ U2/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3π Im)/(2/π Im)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: Uобр.m=2U2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода намагничивание сердечника будет отсутствовать тепловые потери . Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

17,18. Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

Выпрямитель Нагрузка Выпрямитель Нагрузка

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра Сф (когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции eLL di/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

Г-образный фильтр П-образный фильтр

15

Двухполупериодный выпрямитель принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

i1 i2

Д1

RH

UH

Д2

U1 U2

— +

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U2на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д1. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д2. Таким образом, диоды Д1и Д2будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=Im(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I0=2/πIm. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U0=2U2m/π=2√2 ∙U2/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3πIm)/(2/πIm)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: Uобр.m=2U2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, следовательно, намагничивание сердечника будет отсутствовать, следовательно, тепловые потери падают. Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

Выпрямитель Нагрузка Выпрямитель Нагрузка

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра Сф(когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции eL=±Ldi/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

Г-образный фильтр П-образный фильтр

Полупроводниковые выпрямители блоков питания, схемы, онлайн расчёт

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
  — Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё «нахрен не упал» профессиональный электрик?
— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
— А электрик?
— Электрик, электрик… Что электрик?… «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался…»

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор,
необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
Uдейств = Uампл/√2 и Iдейств = Iампл/√2.
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке Iобм = 2×Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
Uобр > 3,14×Uн   и   Iмакс > 3,14×Iн.

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке Iобм = Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
Uобр > 3,14×Uн   и   Iмакс > 1,57×Iн.

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного — через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную Iобм = 1,41×Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
Uобр > 1,57×Uн   и   Iмакс > 1,57×Iн.

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений Uобр и Iмакс по отношению к однополярной схеме.

Значения Uобр и Iмакс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×Iн/(Uн×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×Iн/(Uн×Кп) — для двухполупериодных,
где Кп — это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10-3… 10-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10-4… 10-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10-5… 10-4   (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» — авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Выпрямители блоков питания

 

16. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

С

U1 U2

— +

Д1

RH

UH

Д2

хема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

i1

i2

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U2 на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д1. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д2. Таким образом, диоды Д1 и Д2 будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=Im(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I0=2/π Im. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U0=2U2m/π=2√2 ∙ U2/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3π Im)/(2/π Im)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: Uобр.m=2U2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода намагничивание сердечника будет отсутствовать тепловые потери . Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

17,18. Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

Выпрямитель Нагрузка Выпрямитель Нагрузка

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра Сф (когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции eLL di/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

Г-образный фильтр П-образный фильтр

15

16. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

С

U1 U2

— +

Д1

RH

UH

Д2

хема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

i1

i2

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U2 на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1800. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д1. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д2. Таким образом, диоды Д1 и Д2 будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=Im(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I0=2/π Im. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U0=2U2m/π=2√2 ∙ U2/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3π Im)/(2/π Im)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: Uобр.m=2U2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода намагничивание сердечника будет отсутствовать тепловые потери . Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

17,18. Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

Выпрямитель Нагрузка Выпрямитель Нагрузка

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра Сф (когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции eLL di/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

Г-образный фильтр П-образный фильтр

15

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *