Вопрос 48. Выпрямители.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др

Основные характеристики выпрямителей:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем. Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %. Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети.

Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки. Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Вопрос 49. Ёмкостные и индуктивные фильтры.

СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР – электрическая цепь, позволяющая уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Основной характеристикой фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций S, представляющий собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра P_вх к коэффициенту пульсаций на выходе P_вых S = P_вх / P_{вых .}

Различают емкостные, индуктивные и емкостно-индуктивные фильтры.

Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключенного к нагрузке. Напряжение на вентиле U_в равно разности напряжений источника питания U и на конденсаторе U_c

U_в = U – U_c.

Ток через вентиль проходит только тогда, когда U – U_c > 0. Поэтому с момента t', в котором U – U_c = 0, конденсатор начнет заряжаться и через вентиль будет проходить зарядный ток i_с и ток нагрузки i_н: i_в = i_с + i_н.

Заряд конденсатора прекратится в момент t'', когда U – U_c = 0. С этого времени напряжение U становится меньше, чем U_c, и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку R_н. При этом напряжение на конденсаторе уменьшается по закону

Uc = Uco e ^{- 1/RC} ,где U_C0 – напряжение на конденсаторе при запирании вентиля в момент t''; RC – постоянная времени RC-цепочки.

При RC >> T напряжение U_c уменьшается медленно и его величина до следующего открытия вентиля изменяется незначительно. За это время разрядный ток конденсатора (он же ток нагрузки) также изменяется мало. В следующий полупериод процесс повторяется и т.д. Напряжение на нагрузке U_н = U_c выравнивается так же, как и ток в нагрузке

I_н = U_н / R_н.В течение отрицательного полупериода напряжение источника питания суммируется с напряжением нагрузки, поэтому максимальное обратное напряжение диода равно U.

Индуктивный фильтр (рис. а) представляет собой реактивную катушку (дроссель) с индуктивностью L (индуктивное сопротивление x_L = 6,28fL) и активным сопротивлением R_ф. Катушка включается последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Фильтр работает эффективно в цепях с большим током, если выполняются условия 6,28fmL >> R_н и R_ф << R_н. В этом случае постоянная составляющая напряжения на входных зажимах фильтра мало отличается от постоянной составляющей напряжения на выходе, так как

U_овх / U_овых = I_o (R_ф + R_н) / I_oR_н = R_н / R_н = 1.

Для большего сглаживания применяются многозвенные фильтры.

Г-образный фильтр (рис. б) состоит из индуктивности (дросселя) L_ф, включенной последовательно с параллельно соединенными сопротивлениями нагрузки R_н и емкости C_ф. Повышение сглаживания (уменьшение пульсаций) происходит из-за того, что переменная составляющая пульсирующего тока дважды проходит через фильтрующие цепи.Если коэффициент сглаживания недостаточен, применяют фильтры, состоящие из нескольких Г-образных звеньев (рис. в). В этом случае результирующий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания всех звеньев фильтра

S = S₁ S₂ S_{3 .}

Наряду с Г-образными фильтрами широко применяются П-образные (рис. г). Они представляют собой сочетание емкостного и Г-образного фильтров и состоят из двух конденсаторов и дросселя. Коэффициент сглаживания П-образного фильтра выше, чем у Г-образного. Он равен произведению коэффициентов сглаживания емкостного фильтра S_c1 и Г-образного S_г S = S_c1 S_г.