Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии.

Чаще всего требуется:

• (электрохимические и электролизные ванны, электропривод постоянного тока, электрический транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);

• непромышленной частоты ( , регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим возникает необходимость а преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.

Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Классификация устройств преобразовательной техники

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей , по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:

Полупроводниковые преобразователи обладают высокими регулировочными и энергетическими показателями;

Имеют малые габариты и массу;

Просты и надежны в эксплуатации;

Обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразователи получили широкое применение: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения основных видов преобразовательных устройств .

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U~ → U=).

Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U= → U~).

Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (Uf1 → Uf2).

Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1~ → U2~).

Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники . Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства , разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, , симисторы и , работающие в ключевом режиме.

1. – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп ≤ 1А), диоды средней мощности (Iа доп = 1 - 10А) и диоды большой мощности (Iа доп ≥ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока , Iа доп, А, и наибольшее обратное напряжение , Ubmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-n – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения.

Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и .

Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного дио-да).

Рис. 1 - Условное обозначение и обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода.

– это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры , имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.

Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.

Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента тиристора.

Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, Iа доп, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, Uа max, В, допустимое обратное напряжение, Ubmax, В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.

Рис. 2 –

Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии , Iуд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.

Другие виды преобразовательных устройств

Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и n -слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора.

Работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

к.т.н. Коляда Л. И.

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжениямогут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

• Инвертирующие.
• Повышающие.
• Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

• Ключевой коммутирующий элемент.
• Источник питания.
• Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
• Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
• Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение иного значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:

• Магнитопровод.
• Первичная и вторичная обмотка.
• Каркас для обмоток.
• Изоляция.
• Система охлаждения.
• Иные элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и иные виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

• Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
• Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
• В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
• Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
• Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
• В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:

• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи уровня напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.

Преобразователи переменного тока в постоянный:

• Импульсные стабилизаторы напряжения.
• Блоки питания.
• Выпрямители.

Преобразователи постоянного тока в переменный:

• Инверторы.

Преобразователи переменного напряжения:

• Трансформаторы переменной частоты.
• Преобразователи частоты и формы напряжения.
• Регуляторы напряжения.
• Преобразователи напряжения.
• Трансформаторы разного рода.

Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:

• На пьезоэлектрических трансформаторах.
• Автогенераторные.
• Трансформаторные с импульсным возбуждением.
• Импульсные источники питания.
• Импульсные преобразователи.
• Мультиплексорные.
• С коммутируемыми конденсаторами.
• Бестрансформаторные конденсаторные.

Особенности

• При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
• Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
• По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение

• Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6-24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
• Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
• Для питания различных цепей;

Автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

• Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
• Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Достоинства и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

• Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
• Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
• Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
• Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
• Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
• Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
• Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.

К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:

• Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
• Занимают некоторое место.
• Сравнительно высокая цена.

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя

В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U 0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения U d (пульсации). Это действие часто называется "сглаживанием" выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания Δf f c .

Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный

На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой ω c . За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ω c . Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое U 1 = U m sinω c t , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя

Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный

В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке U H в два раза выше частоты сети ω c , что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя

В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.

Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.

Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Теоретическая часть. Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное)

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное). Среднее значение (постоянная составляющая) этого постоянного напряжения используется потребите­лем. Наличие переменных составляющих (пульсаций) в результате преобразования неизбежно. Различными мерами пульсации могут быть уменьшены до любых малых значений. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров.

Рассматриваемые в работе схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Они обеспечивают постоянным напряжением питание электромашинных механизмов, технологических процессов, электронных устройств. Знание свойств источников питания необходимо специалисту для грамотной их эксплуатации.

Основной элемент схем выпрямления – диод. Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются р-п- переходом, образованным между двумя кристаллами полупровод­никового материала с различными типами проводимостей.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода, например 2Д504А, изображена на рис. 1.1.

Основными параметрами диодов являются максимальное допустимое значение тока в прямом направлении I ПР max и максимальное допустимое значение обратного напряжения U ОБРдоп . При протекании через диод номинального тока в прямом направлении падение напряжения не превышает одного вольта. Приложенное к диоду обратное напряжение вызовет обратный ток величиной от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

Рис. 1.1 . Вольтамперная характеристика
полупроводникового диода 2Д504А

В блоках питания выпрямители подключаются к выходным обмоткам понижающих трансформаторов, входные обмотки которых подключены к источнику синусоидального напряжения u 1 (t) = U 1 m sin ωt , как показано на рис. 1.2. Такие схемы выпрямления имеют следующие основные параметры:

– u 2 (t) = U 2 m sin ωt = U 2 sin ωt – мгновенное значение напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U 2 – действующее значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U 2 m – амплитудное значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U d – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения U CP );

– U ~ m – размах пульсации выходного напряжения выпрямителя.

При выпрямлении однофазного переменного тока простей­шими схемами выпрямления являются одно- и двухполупериодныеоднофазные схемы. Однополупериодными выпрямителями являются та­кие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в про­цессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухполупериодныхвыпрямителях – в обоих направле­ниях.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 1.2. Ток через нагрузку протекает в течение одного полу­периода сетевого напряжения. Диаграммы напряжений показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Рис. 1.3 . Диаграммы напряжений

Исходя из приведенных выше определений основные параметры выпрямителя:

– среднее значение тока диода

где I 2 m – амплитудное значение тока выходной обмотки трансформатора;

– максимальное обратное напряжение на диоде

Выпрямленное напряжение u d содержит постоянную составля­ю­щую U d и переменную составляющую u d ~ , представляющую собой сумму высших гармонических составляющих. Разложение в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения u d позволяет определить коэффициенты этого ряда.

Постоянная составляющая

U d – функция четная, кроме основной имеет четные гармоники.

Амплитуда гармонической составляющей порядка n = 2, 4, 6, …

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации, представляющим собой отношение размаха переменной состав­ляющей к среднему значению выпрямленного напряжения. Для схемы однополупериодного выпрямления коэффициент пульсаций

При выборе диода для схемы однополупериодного однофазного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое обратное напряжение диода было больше амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (U обр max ≥ U 2 m ) (рис. 1.3).

К недостатку однополупериодного выпрямителя относится присутствие постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через транс­форматор (рис. 1.2), то постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры. Также к недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напря­жения. Выпрямители подобного типа при­меняют, главным образом, в специальных маломощных установках.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4 . Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Напряжения и 21 и и 22 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидаль­ных напряжения и 2 , сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180°. Диоды проводят ток поочередно в течение полупериода. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 1.5.

Основные параметры выпрямителя исходя из приведенных выше определений:

– среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двух­­полупериодной схеме в два раза больше по сравнению с предыдущей однополупериодной схемой выпрямления:

– среднее значение тока диода

В кривой выпрямленного напряжения ярко выражена вторая (n = 2) гармоническая составляющая с частотой f = 100 Гц (при f с = 50 Гц). Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

(1.2)

Напряжение, приложенное к закрытым диодам, рав­но разности потенциалов между выводами полной вторичной обмотки трансформатора и 2 , состоящей из двух частей, т. е. и 21 + и 22 = и 2 (рис. 1.4).

В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего постоянное подмагничивание сердечника отсутствует.

Рис. 1.5. Диаграммы напряжений и токов

Однофазный мостовой выпрямитель имеет наибольшее распростране­ние. В блоках питания данные выпрямители часто используются без трансфор­маторов, с подключением непосредственно к сетевому напряжению. Схема однофазного мостового вып­рямителя представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема однофазного мостового выпрямителя

Диоды проводят ток попарно: VD1 , VD4 – в течение одного полупериода, а VD2 , VD3 – в течение другого полупериода питающего напряжения. Основные параметры выпрямителя следующие:

– среднее значение выпрямленного напряжения

– среднее значение тока диода

– максимальное обратное напряжение на диодах

Рассматриваемая схема относится к двухполупериодной схеме выпрямления. Коэффициент пульсации на выходе вы­прямителя

(1.4)

Амплитуда обратного напряжения U ОБР max при одинаковом выпрямленном напряжении U d в выпрямителе по мостовой схеме выпрямления (рис. 1.6) в два раза меньше, чем в вы­прямителе по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4). Такая схема выпрямления позволяет получить заданное вы­прямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора вдвое меньшем, чем в двухполупе­риодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4) при прочих равных ус­ловиях. Данное обстоятельство приводит к снижению массогабаритной мощности трансформатора.

Диаграммы напряжений и токов данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Диаграммы напряжений и токов мостового выпрямителя

Разновидностью мостовой схемы выпрямителя является мостовая схема со средней общей точкой, как в схеме выпрямителя на рис. 1.4.
При наличии вывода от середины вторичной обмотки трансформатора выпрямитель имеет два выходных напряжения. Первый выход – это напряжение между положительной клеммой выпрямителя и средней точкой, второй выход – между отрицательной клеммой и средней точкой. При соединении средней точки обмотки с общим проводом получается два источника симметричных разнополярных напряжений. Такие источни­ки постоянных напряжений при наличии сглаживающих фильтров при­меня­ются для питания аналоговых операционных усилителей (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Мостовая схема выпрямления со средней точкой

Схема выпрямления с умножением напряжения позволяет получить высокие значения выпрямленного напряжения без исполь­зования вы­соковольтных трансформато­ров. Наибольшее распространение на практике получили однофазные схемы выпрямления с удвоением напряжения (рис. 1.9).

Принцип действия такой схемы заклю­чается в зарядке каждого из последовательно соединенных конденса­торов через свою группу диодов от выходной обмотки транс­форматора. Выходное напряжение выпрямителя при этом равно сумме напряжений на всех конденсаторах и может в несколько раз превышать амплитуду напряжения выходной обмотки трансформатора

u ВЫХ = u Н = u C1 + u C2 » 2u 2m .

Диаграммы напряжений данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.10.

Рис. 1.9. Однофазные схемы выпрямления Рис. 1.10 . Диаграмы напряжений

с удвоением напряжения выпрямителя с удвоением напряжения

Все рассмотренные выше схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений
К п = 0,002–0,02. Если потребитель постоянного напряжения предъявляет повышенные требования к ограничению пульсаций, то для их уменьшения применяются фильтры. Простейшими фильтрами являются емкостный и индуктивный.

Емкостный фильтр образуется конденсатором, подключенным к выходным клеммам выпрямителя, т. е. параллельно нагрузке (рис. 1.11).
При использовании простейшего емкостного фильтра сгла­живание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происхо­дит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра С Ф и последующей его разрядки на сопротивле­ние нагрузки R Н с постоянной времени разряда t РАЗР = С Ф R Н.

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной состав­ляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Следует отметить, что емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока. Процессы изменения напряжения на конденсаторе и токов в цепях представлены на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема выпрямления с емкостным фильтром
и процессы изменения напряжений и токов

Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.

При включении емкостного фильтра в выпрямителе напряжение u H не уменьшается до нуля, увеличивая сред­нее значение выпрямленного напряжения по сравнению с выпрямителем без фильтра. При этом к закрытому диоду приложено напряжение U ОБР max , зна­чение которого может приближаться к удвоенному значению U 2 m .

Емкость конденсатора С Ф выбирают такой, чтобы выполня­лось соотношение

t РАЗР = С Ф R Н >> Т ,

где Т = 1 / f осн – период основной гармоники.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильт­ром умень­шается. Емко­стный фильтр для сглаживания пульсаций целесооб­разно применять с высокоомным нагрузочным сопротивлением R Н при мощности Р Н не более нескольких десятков Ватт.

Если требуется более высокий коэффициент сглаживания, то прибегают к сложным сглаживающим фильтрам. К ним отно­сятся Г - и П -об­раз­ные фильтры LC- и RС -типов.

Ток через диоды при наличии конденсатора на выходе выпрямителя протекает короткими импульсами. При выборе диодов только по среднему значению тока в р-п- переходе могут возникать опасные локальные перегревы.

В качестве индуктивного фильтра используют катушку с ферро­магнитным сердечником, называемую дросселем. Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки. Индуктивность дросселя приводит к уменьшению пульсаций за счет индуктивного сопротивления его обмотки.

Внешняя характеристика выпрямителя отражает динамику изменения выходного напряжения выпрямителя в зависимости от изменения тока нагрузки. При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра (рис. 1.12). Наклон внешней характеристики при том или ином токе I ср характеризуется выходным сопро­тивлением R ВЫХ, которое определяется выражением

I ср – заданный.

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тока тем, что он хорошо поддается трансформированию, т. е. преобразованию тока относительно высокого напряжения в ток более низкого напряжения, или наоборот. Трансформаторы позволяют передавать переменный ток по проводам на большие расстояния с малыми потерями энергии. Для этого переменное напряжение, вырабатываемое на электростанциях генераторами, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и «посылают» по линиям электропередачи (ЛЭП) в различных направлениях. С повышением напряжения уменьшается сила тока в ЛЭП при одной и той же передаваемой мощности, что и приводит к снижению потерь и позволяет применять провода меньшего сечения. В городах и селах на расстоянии сотен и тысяч километров от электростанций это напряжение понижают трансформаторами до более низкого, которым и питают лампочки освещения, электродвигатели и другие электрические приборы.

Трансформаторы широко применяют и в радиотехнике.

Схематическое устройство простейшего трансформатора показано на рис. 1. Он состоит из двух катушек из изолированного провода, называемых обмотками? насаженных на магнитопровод, собранный из пластин специальной, так называемой трансформаторной стали. Обмотки трансформатора изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопровод - линией между ними.

Рис. 1.Трансформатор с магнитопроводом из стали:
а - устройство в упрощенном виде; б - схематическое изображение

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, текущий по одной из обмоток трансформатора, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора, индуцируя в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить какую-либо нагрузку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток - лампа станет гореть.

Обмотку, к которой подводится переменное напряжение, предназначаемое для трансформирования, называют первичной , а обмотку, в которой индуцируется переменное напряжение - вторичной .

Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке приблизительно равно напряжению, подведенному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее меньше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подводимого к первичной обмотке. В первом случае трансформатор будет понижать, во втором повышать переменное напряжение.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно довольно точно подсчитать по отношению чисел витков обмоток трансформатора: во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение на ней будет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первичной обмотке. Так, например, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив первую обмотку в сеть переменного тока с напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В - это повышающий трансформатор. Если же напряжение 220 В подвести к обмотке, имеющей 2000 витков, то в обмотке, содержащей 1000 витков, мы получим напряжение 110 В - это понижающий трансформатор. Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае - первичной.

Но, пользуясь трансформатором, не стоит забывать о том, что мощность тока (Р = U·I), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая напряжение и уменьшая ток, либо потребляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение мы проигрываем в значении тока, а выигрывая в значении тока, обязательно проигрываем в напряжении.

Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто используют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков. С помощью таких трансформаторов, называемых сетевыми, или трансформаторами питания, получают несколько напряжений, питающих разные цепи.

Наибольшая мощность тока, которая может быть трансформирована, зависит от размера магнитопровода трансформатора и диаметра провода, из которого выполнены обмотки. Чем больше объем магнитопровода, тем большая мощность тока может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно теряется часть мощности. Поэтому мощность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой первичной обмоткой.

Если, однако, в первичной обмотке трансформатора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение, частота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойство трансформатора используется для индуктивной связи между разными цепями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других целей, о которых разговор будет впереди.

Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов (пермаллоя) называют низкочастотными трансформаторами, так как они пригодны только для преобразования переменного напряжения низкочастотного диапазона. На схемах низкочастотные трансформаторы обозначают буквой Т, а их обмотки римскими цифрами.

Принцип действия высокочастотных трансформаторов, предназначаемых для трансформации колебаний высокой частоты, также основан на электромагнитной индукции. Они могут быть как с сердечниками, так и без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных каркасах, но обязательно близко одну к другой (рис. 2).

Рис. 2.Высокочастотные трансформаторы без сердечников (слева катушки трансформатора с общим каркасом; справа - катушки трансформатора на отдельных каркасах; в центре обозначение на схемах)

При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает быстропеременное магнитное поле, которое индуцирует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в низкочастотных трансформаторах, напряжение во вторичной катушке зависит от соотношения чисел витков в катушках.

Для усиления связи между катушками в высокочастотных трансформаторах используют сердечники в виде стержней или колец (рис. 3), представляющие собой спрессованную массу из неметаллических материалов. Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотными сердечниками.

Рис 3.Высокочастотные трансформаторы с магнитодиэлектрическими сердечниками (слева - со стержневым, справа с кольцевым (тороидальным) сердечником)

Наиболее распространены ферритовые сердечники Ферритовый сердечник не только усиливает связь между катушками, но и повышает их индуктивность, поэтому они могут иметь меньше витков по сравнению с катушками трансформатора без сердечника.

Магнитодиэлектрический сердечник высокочастотного трансформатора независимо от его конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низкочастотного трансформатора, - прямой линией между катушками, а обмотки, как и катушки индуктивности, - латинскими буквами L.