Преобразовательные устройства. Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора

~ ЛЕКЦИЯ 28 ~

Преобразовательные устройства

Для работы многих электронных устройств необходимы источники питания постоянного тока, преобразующие энергию промышленной сети переменного тока.

Основным звеном в источниках питания  является  выпрямитель-устройство, предназначенное для преобразования энергии  источника переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители подразделяют на неуправляемые и управляемые, однофазные и многофазные, малой, средней и большой мощности. Для улучшения  качества выпрямленного сигнала  используют сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения.

Схемы однофазных выпрямителей:

-  однополупериодная;

-  двухполупериодная с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора;

-  мостовая.

Схемы выпрямителей трехфазного тока:

-  трехфазная с нулевым выводом трансформатора;

-  трехфазная мостовая;

-  двойная трехфазная.

Помимо перечисленных существуют каскадные схемы  выпрямителей, схемы умножения напряжения.

Для оценки работы трансформаторов и выпрямителей используют параметры:

Ø  выпрямленное напряжение U_d и ток I_d в нагрузке;

Ø  эффективные значения токов I₁ и I₂ и напряжения U₁ и U₂ первичной и вторичной обмоток трансформатора, а также типовую мощность трансформатора S_т;

Ø  максимальное обратное напряжение на вентиле U_{В MAX};

Ø  средний I_a и максимальный I_{a max} токи вентиля;

Ø  коэффициент пульсаций q=U_d1m/U_{d ср},

где U_d1m – напряжение основной гармоники; U_{d ср} – среднее значение выпрямленного напряжения.

Маломощные однофазные источники питания

В структурную схему маломощного источника питания (рис.2.1) входят силовой трансформатор Тр, выпрямитель В, сглаживающий фильтр СФ, стабилизатор напряжения Ст, нагрузка Н.

Рис.2.1.Структурная схема маломощного источника питания.

В этой схеме силовой трансформатор предназначен для изменения до необходимой величины переменного сетевого напряжения и выполняет вспомогательную роль. После выпрямления переменного напряжения выпрямителем сглаживающий фильтр уменьшает его пульсации до необходимой величины. Стабилизатор предназначен для поддержания напряжения на нагрузке при изменении напряжения в сети.

Однофазные выпрямители

Для выпрямления однофазного переменного тока применяют достаточно простые, на одном или нескольких вентилях, устройства: однополупериодный или двухполупериодный (мостовой или с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора) выпрямители.

Однополупериодный выпрямитель

В схему однополупериодного выпрямителя (рис.2.2) входит вентиль VD и  нагрузка R_н. Питающее переменное напряжение выпрямитель получает  через трансформатор Тр.

Рис.2.2.Схема однополупериодного выпрямителя.

Для анализа работы всех выпрямителей допустим, что трансформатор и вентили идеальны, т.е. сопротивления трансформатора и вентиля в прямом направлении равны нулю, обратное сопротивление вентиля бесконечно велико.

Работу выпрямителя рассмотрим с помощью временных диаграмм (рис.2.3).

Рис.2.2.Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя.

При синусоидальном характере изменения напряжения на трансформаторе ток i_d в цепи нагрузки будет появляться только тогда, потенциал точки а вторичной обмотки трансформатора _а будет положителен по отношению к потенциалу точки b_b (_а >_b). При этом вентиль VD открыт, через него будет протекать ток i_a, падение напряжения на вентиле U_в=0 и i_a= i₂ = i_d =U₂/R_н.

Когда изменится направление тока во вторичной обмотке трансформатора (_а <_b), вентиль закрывается, ток через него протекать не будет и i_a= i₂ = i_d =0, U_в= U_{в max}.

Ток в нагрузке R_н имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из полупериодов напряжения U₂. Напряжение U_d появляется на нагрузке R_н  только в положительный полупериод напряжения U₂ и U_d= i_d R_н= U₂.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянную составляющую) можно определить как U_{d ср}= U₂/=0.45 U₂, или U₂=2.22 U_{d ср}.

Максимальное значение обратного напряжения равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора: U_{в мax}=U₂, или U_{в max} = U_{d ср}.

Среднее значение тока в нагрузке однополупериодного выпрямителя: I_d =U_{d ср}/ R_н.

.

Для расчета трансформатора необходимо знать эффективные токи I₁ и I₂ первичной и вторичной обмоток: I₂=I_d/2=1.57 I_d,

где n – коэффициент трансформации трансформатора определяемый как n=U₁/ U₂= W₁/W₂;

W_1,W₂  - количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Мощность первичной обмотки трансформатора:

Мощность вторичной обмотки:

S₂ = U₂I₂ = 3.5P_d,

где P_d – мощность в нагрузке,

P_d = I_dU_{d ср}.

Мощность первичной обмотки может возрастать из-за намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки:

S₁=(3.23.5)P_d.

Габаритные размеры трансформатора зависят от его мощности:

S_т=S₁+S₂/2(3.353.5) P_d,

т.е. типовая мощность трансформатора, определяющая его габариты в 3.353.5 раза превышает мощность нагрузки, что свидетельствует о плохом использовании трансформатора в однополупериодном выпрямителе.

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения:

U_{d1 m}=1.57U_{d ср},

а коэффициент пульсаций

q= U_{d1 m}/U_{d ср} и q=1.57

для однополупериодного выпрямителя.

Частота изменения тока основной гармоники f_d1 равна частоте сети f_c, так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.

Таким образом к недостаткам однополупериодного выпрямителя можно отнести:

·  высокий уровень пульсаций;

·  подмагничивание сердечника трансформатора;

·  низкую частоту основной гармоники выпрямленного напряжения;

·  низкую эффективность использования трансформатора и его большие габариты;

большое напряжение U_{в мах}.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора

Особенностью схемы выпрямителя с нулевым выводом (рис.2.4) является схема соединения вторичных обмоток трансформатора: силовой трансформатор Тр имеет две вторичные обмотки – w_2-1  и  w_2-2, связанные с первичной обмоткой коэффициентом трансформации n=w₁/w_2-1=w₁/w_2-2. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов VD1 и VD2, катоды диодов через нагрузку R_н подключены к нулевой точке вторичной обмотки в связи с этим напряжения на обмотках одинаковы и сдвинуты по фазе на 180⁰.