foe laba

положителен, а точки «b» отрицателен относительно средней точки «0» (показано без скобок), создается открывающее напряжение - u2a для диода VD1 и закрывающее – u2b для диода

VD2. Соответственно через открытый диод протекает ток цепи: + «а» - VD1 - Rн - точка «0» - W2a , а диод VD2 остается закрытым.

Во втором полупериоде t1 t2 , когда потенциал точки «а»

отрицателен, а точки «b» положителен относительно средней точки «0» (показано в скобках), создается запирающее напряжение для диода VD1 - u2a и открывающее напряжение u2b для

диода VD2. Соответственно диод VD1 становится закрытым, а через диод VD2 протекает ток цепи: + «b» - VD2 - Rн - точка «0»

- W2b .

13

В оба полупериода t0 t1 и t1 t2 ток по нагрузке Rн проходит в одном направлении – справа налево, создавая однополярное пульсирующее напряжение - uн с постоянной составляющей U ср . Последнюю можно вычислить, как среднюю арифметическую величину функции uн на интервале ее повторяемости Т2 .

трансформатора Т1.

Достоинством схемы является относительно малое количество диодов – 2, а недостатком – обязательное использование трансформатора, причем с выводом средней точки во вторичной обмотке.

Мостовая схема выпрямителя с диаграммами рабочих напряжений показана на рис. 4 а, б. Она содержит входной согласующий трансформатор Т1 и четыре диода VD1-VD4, соединенных в мостовую ячейку, к одной диагонали которой подсоединена выходная обмотка трансформатора W2 , а к другой нагрузка

- Rн .

Выходное напряжение трансформатора u2 в течение первого положительного полупериода t0 t1 с полярностью плюс на верхнем выводе обмотке W2 и минус на нижнем (на рис. 4 а показано без скобок) является открывающим для диодов VD1 и VD3 и создает ток по цепи: «плюс» верхнего вывода W2 - VD1 - Rн - VD3 – «минус» нижнего вывода W2 .

14

Во втором отрицательном полупериоде t1 t2 напряжение u2 имеет противоположную полярность (показано на рис. 4 а в скобках), является открывающим для диодов VD2, VD4 и создает ток по цепи «плюс» нижнего вывода W2 - VD2 - Rн - VD4 – «минус» верхнего вывода W2 .В оба полупериода ток нагрузки - I н течет по ней в одном направлении – слева направо, создавая однополярное пульсирующее напряжение - uн на рис. 4 б с постоянной составляющей U ср . Оно аналогично по характеру из-

Достоинством мостовой схемы выпрямителя является воз-

15

можность ее работы без трансформатора, если не требуется выполнения функции согласования по уровням входного и выходного напряжения. Недостатком считается использование относительно большого числа диодов – четырех.

Качество выпрямителя принято оценивать коэффициентом пульсаций, представляющим собой отношение амплитуды первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения U1m к

постоянной составляющей Uср :

pU1 m

Uср

Рассмотренные выше выпрямители имеют p =0.67. Между

тем, для питания электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с более низким коэффициентом пульсации

10 2 10 3 .

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяются сглаживающие электрические фильтры. Простейший фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 5 а), или дросселя, включенного последовательно с нагрузкой (рис. 5 б).

Рис.5

При параллельном подключении к нагрузке Rн фильтрующего конденсатора Cф напряжение последнего становится выходным напряжением всего выпрямителя.

16

uc uвых.выпр

Рис. 6 Из приведенного выше анализа работы выпрямителей (рис.

3 а, б и рис. 4 а, б) видно, что они вырабатывают для выходной цепи - Rн пульсирующее положительное напряжение uв , приведенное на рис. 6 штриховой линией. При включении выпрямителя в момент t0 под действием возрастающего входного напряжения uв конденсатор Cф начинает заряжаться и его напря-

жение uс (показано на рис. 6 сплошной линией) соответственно возрастает, но с определенной инерцией, обусловленной постоянной времени цепи заряда зар RC . Здесь С - емкость

фильтра, а R внутреннее сопротивление выпрямителя, равное сумме сопротивлений всех участков по его цепи постоянного тока: активного сопротивления задействованной выходной обмотки трансформатора – Т1, сопротивления открытого диода или диодов (для мостовой схемы) и сопротивления соединительных проводов. По отдельности и вместе это относительно

17

малые сопротивления в доли или единицы Ом. В результате постоянная времени заряда зар конденсатора Cф представляет

собой относительно малую величину и его напряжение uc (t) с малой задержкой «следует» за напряжением выпрямителя uв (t) . Последнее в момент достижения амплитуды t1 реверсирует направление своего изменения и в момент t2 пересекает сверху вниз более инерционное напряжение конденсатора uc (t) , далее оставаясь уже меньше его uв uc . Их разность uз uв uc те-

перь является запирающим фактором для диодов выпрямителя. С их закрытием разрывается цепь заряда конденсатора Cф , ко-

торый дальше разряжается через нагрузку Rн . В обычных выпрямителях сопротивление нагрузки на один - два порядка превышает их внутреннее сопротивление ri Rн , а значит, также будут соотноситься и постоянные времени заряда зар Cri и

разряда раз CRн и наклоны этих участков диаграммы напряжения конденсатора uc зар - (t0 t2 ) и uc раз - (t2 t5 )

Первый зарядно-разрядный цикл завершается в момент t5 , когда напряжение выпрямителя uв во втором своем полупериоде t3 t9 достигает напряжения конденсатора uc и начинает новый его зарядный интервал t5 t8

В целом «пилообразная» диаграмма напряжения конденсатора uc (t) имеет заметно меньший уровень пульсаций по сравнению с исходной диаграммой выходного напряжения выпрямителя без фильтра uв (t) . В этом и проявляется сглаживающее действие С - фильтра Cф .

18

Далее удобно проследить влияние изменения сопротивления нагрузки Rн на фильтрующую способность конденсатора.

Так с ростом сопротивления до режима холостого хода Rн соответственно будет увеличиваться и постоянная времени раз-

полупериодов входного напряжения uв (t) достигает его амплитудного значения Uв m и далее остается неизменным. В результате конденсатор Cф понизил до нуля уровень (коэффициент)

пульсаций выходного напряжения, став идеальным фильтром, и повысил среднее значение выходного напряжения до амплитуды

тания uс (t) остается практически неизменной. В результате уве-

личивается коэффициент пульсаций напряжения конденсатора, т.е. ухудшаются его фильтрующие свойства, и понижается среднее значение выходного напряжения Uср . При дальнейшем

снижении сопротивления нагрузки, например до малого значения внутреннего сопротивления выпрямителя ri диаграмма на-

пряжений конденсатора uс (t) практически вплотную приближается к диаграмме напряжения выпрямителя uв (t) , т.е. практиче-

19

ски полностью исчезает фильтрующая способность конденсатора. Эффективность работы конденсаторного фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

где pв и pс - коэффициенты пульсаций выпрямителя без и с С –

фильтром, - частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

Дроссельный фильтр на рис. 5 б представляет собой катушку индуктивности со стальным сердечником. Под действием пульсирующего напряжения выпрямителя uв (штриховая линия

на рис. 7) в дросселе возникает такой же по характеру пульсирующий ток iдр , который создаст в стальном сердечнике анало-

гичный по характеру пульсирующий магнитный поток Фдр (t) .

Последний, в свою очередь, наводит в обмотке дросселя Wдр

противо - ЭДС eдр (t) , представленную на рис. 7 штрих - пунк-

тирной линией. Как видно она изменяется во времени противофазно входному напряжению uв (t) и не имеет постоянной со-

ставляющей. По второму закону Кирхгофа выходное напряжение дросселя, показанное сплошной линией на рис. 7, представляет собой алгебраическую сумму входного напряжения uв и

его противо – ЭДС eдр

uн uв ( едр ) .

20

Рис. 7 В итоге дроссель значительно (на величину своей противо –

ЭДС) ослабляет или фильтрует переменную составляющую входного сигнала uв и практически без ослабления передает на

выход его постоянную составляющую U ср .

При изменении нагрузки, например ее понижении до режима холостого хода - Rн , соответственно ток нагрузки и

дросселя падает до нуля, не создается магнитный поток и наводимая им противо – ЭДС. Пульсирующее входное напряжение дросселя uв (t) без ослабления проходит в нагрузку, т.е. полно-

стью исчезает сглаживающее действие L – фильтра.

С уменьшением сопротивления нагрузки Rн пропорционально увеличиваются: ток I н Iдр , создаваемый им в сердеч-

нике дросселя магнитный поток, наводимая им в обмотке противо – ЭДС, а значит и сглаживающее действие L – фильтра. В соответствии с этим коэффициент сглаживания дроссельного

21

где - частота пульсаций напряжения на входе дросселя Lф .

Рис. 8 Для повышения коэффициента сглаживания часто исполь-

зуются многозвенные фильтры (рис. 8). Тогда их общий коэффициент сглаживания q при n последовательно соединенных звеньях равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев qi

n

qqi

i1

Существенным достоинством обладают фильтры, содержащие разнохарактерные звенья, например Г – образный LC – фильтр, показанный на рис. 8 а. Его коэффициент сглаживания qLC с учетом вышеизложенного будет равен

т.е. в отличие от коэффициентов сглаживания отдельных звеньев (L и C фильтров) коэффициент сглаживания Г – образного LC – фильтра не зависит от изменения нагрузки Rн . Это и является

22