3.1 Основні теоретичні положення

Випростовувачі - це пристрої, що призначені для перетворення змінного струму в постійний. Для малопотужних випростовувачів (до сотень ват), які живляться від однофазної мережі змінного струму найбільш характерним є режим роботи на ємнісний фільтр. При цьому ємність (конденсатор) встановлюється на виході випростовувача паралельно навантаженню. Така схема включення дає змогу зменшити величину змінної складової випростаної напруги.

Для живлення радіоапаратури від однофазної мережі змінного струму використовуються наступні типи випростовувачів: однонапівперіодні, двохнапівперіодні, мостові, з подвоєнням напруги та з помноженням напруг. Схеми випростовувачів зображено на рис. 3.1.

а	б
в	г
д

Рисунок 3.1 - Схеми випростовувачів з ємнісними фільтрами

В схемі однонапівперіодного випростовувача (рис.3.1,а) струм через діод VD1 протікає тільки на протязі половини періоду змінної напруги U1, яка знімається з вторинної обмотки трансформатора Тр1. Струм, що протікає через діод VD1 має сильно пульсуючий характер внаслідок того, що протікає в одному напрямку і змінюється по величині від максимального значення до нуля.

Недоліками даної схеми є низька частота пульсацій, і як наслідок, необхідність використання конденсатора фільтра Сф досить великої ємності, погане використання трансформатора, та підмагнічування осердя трансформатора постійним струмом.

Схема двохнапівперіодного випростовувача з середньою точкою наведена на рис. 3.1,б. В цьому пристрої вторинна обмотка трансформатора має три виводи: - два від кінців обмотки та один - від її середини. По суті дана схема - це два однонапівперіодні випростовувачі, що працюють на загальне навантаження Rн. На протязі одного напівперіоду змінної напруги U1 працює один діод, а ан протязі другого - інший. В результаті цього через опір навантаження Rн проходять струми з діодів VD1 і VD2 в обидва напівперіоди у одному і тому ж напрямку, створюючи на навантаженні випростану постійну напругу.

Недоліками цієї схеми є ускладнена конструкція трансформатора та підвищена зворотна напруга на діодах.

Однофазний мостовий випростовувач зображено на рис.3.1, в. В цій схемі діоди VD1 - VD4 з’єднані за схемою моста Греца, до однієї з діагоналей якого під’єднана вторинна обмотка трансформатора, а до іншої - опір навантаження Rн та фільтр Сф. Під дією змінної напруги U1 в роботу по черзі вмикаються діоди VD1 і VD3 та VD2 і VD4. Внаслідок цього відбувається двохнапівперіодне випростовування напруги U1 аналогічно, як і в схемі з середньою точкою.

Недоліками цієї схеми є підвищене падіння напруги на діодному комплекті та неможливість встановлення однотипних діодів на загальному радіаторі без використання ізолюючих прокладок.

Описані схеми випростовувачів використовуються для отримання постійних напруг до 400 В при струмах навантаження до 3 А.

Схема випростовувача з подвоєнням напруги наведена на рис.3.1, г. Такі випростовувачі застосовуються для отримання напруг до 1000 В при струмах навантаження до 200 мА. Як додаткові джерела електрорушійної сили, що призначені для збільшення вихідної напруги в цій схемі використовуються конденсатори С1 і С2. Схема з подвоєнням напруги є мостовою, в якої в два плеча моста ввімкнуті діоди VD1 і VD2, а в два інших - конденсатори С1 і С2. До однієї з діагоналей моста під’єднана вторинна обмотка трансформатора Тр1, а до іншої - навантаження Rн. Схему випростовувача можна представити як дві послідовно з’єднані однонапівперіодні схеми, які працюють від однієї вторинної обмотки трансформатора на загальне навантаження. Однонапівперіодні випростовувачі працюють почергово в різні напівперіоди синусоїдальної напруги U1. Напруга на навантаженні Rн складається з суми напруг на конденсаторах С1 і С2.

Недоліками цієї схеми є можливість появи пульсацій на виході випростовувача з частотою мережі та неможливість установки однотипних діодів на загальному радіаторі.

Випростовувач з помноженням напруги зображено на рис.3.1, д. Такі схеми використовуються для отримання напруг вище 1000 в при вихідних потужностях 5 - 10 Вт. Для живлення схем помноження використовуються однополярні імпульси додатної напруги.

Схема імпульсного потроювача напруги (рис.3.1, д) працює наступним чином. При появі на аноді діода VD1 додатного імпульсу напруги конденсатор С1 швидко заряджається до амплітудного значення цієї напруги Uc1=U1. На протязі часу, поки напруга на аноді VD1 відсутня, конденсатор С2 через діод VD2 заряджається напругою, що є на конденсаторі С1 (Uc2=Uc1). Коли на аноді VD1 знову з’являється додатна імпульсна напруга вона сумується з напругою на конденсаторі С2. Сума цих напруг Uc2+U1 заряджає через діод VD3 конденсатор С3. Але оскільки конденсатор С3 з’єднаний послідовно з конденсатором С1, на якому вже є напруга Uc1=U2, то значення напруги , до якої зарядяться конденсатори С1 і С3 буде Uc1с3 = Uc1+Uc2+U2 = 3U1. Тобто, на навантаженні Rн виділиться напруга, яка рівна потроєному значенню вхідної.

Дія конденсатора Сф як фільтра зводиться до того, що шунтуючи опір навантаження, він пропускає через себе найбільшу долю змінної складової випростаного струму, оскільки його ємнісний опір Хс вибирають значно меншим, ніж опір навантаження Rн. Для постійного струму опір Хс є безмежно великим, тому постійна складова випростаного струму проходить в основному через опір навантаження.

При ввімкненні діодів випростовувачів в джерелах живлення виникають викиди напруги, а при їх вимкненні - викиди струму. Ці викиди можна послабити, застосувавши діоди з плавним відновленням, або діоди, що розраховані на високі номінальні струм і напругу. Крім того, існує можливість обмежити струм, що протікає через випростовувальний діод за допомогою резистора (рис.3.2,а), зменшити швидкість зміни струму, застосувавши феритове кільце, або індуктивність (рис.3.2.б, в), “гасити” викиди за допомогою високоякісних шунтуючих конденсаторів (рис.3.2.г, д), суттєво зменшувати “деренчання” при ввімкненні (рис.3.2,е).

Обмежувачі викидів на рис. 3.2 також створюють перешкоди для попадання в схему зовнішніх завад або відводять їх на землю, покращуючи цим самим ізоляцію між входом і виходом джерела живлення і зменшуючи завадочутливість електронних схем.

Рисунок 3.2 - Схеми послаблення перехідних процесів при вмиканні та вимиканні діодів

Розрахунок випростовувачів з ємнісними фільтрами

Вихідними даними для розрахунку випростовувачів є:

- номінальна випростана напруга Uв, В;

- струм навантаження Iн, А;

- опір навантаження , Ом;

- вихідна потужність випростовувача , Вт;

- номінальна напруга мережі живлення Uм, В;

- відносні відхилення напруги мережі в бік підвищення та пониження:

- частота мережі fм, Гц,

- коефіцієнт пульсацій Кп.

1. Згідно з отриманим завданням вибираємо з рис.3.1 потрібну схему випростовувача. Якщо вибрано випростовувач з помноженням напруги (рис.3.1,.д), то орієнтовочно вибираємо кількість каскадів помноження k. Значення k приймаємо таким, щоб напруга на вторинній обмотці трансформатора U1 не перевищувала 2-3 кВ, при цьому напруга на конденсаторах С1-С3 не повинна перевищувати 4-6 кВ. Кількість конденсаторів і діодів для попарного помноження напруги складає .

2. Визначаємо опір трансформатора r_тр, прямий опір діода r_пр і за їх значеннями за допомогою виразів, що наведені в таблиці 3.1 знаходимо опір фази випростовувача r_ф.

Таблиця 3.1 – Визначення r_тр, r_пр,_, r_ф

				Тип випро-стову-вача
				Рис. 3.1, а
				Рис. 3.1, б
				Рис. 3.1, в
				Рис. 3.1, г
				Рис. 3.1, д

В таблиці 3.1: В - магнітна індукція, Тл; J - середня густина струму в обмотках трансформатора А/мм². Значення В і J вибираються у відповідності до потужності трансформатора живлення. Приймаємо: В = 1,1 – 1,3 Т; J = (2…3,5) А/мм².

Для визначення опору діода в прямому напрямку r_пр необхідно орієнтовочно вибрати тип діода з довідника [1, 2] і визначити пряме падіння напруги на ньому U_пр. Діод вибирається за середнім випростаним струмом І_в.ср та амплітудою зворотньої напруги U_зв.max згідно з табл. 3.1. Максимальні значення І_в.ср та U_зв.max вибраного діода повинні перевищувати розрахункові не менше, ніж на 20 %.

Вибравши тип діода знаходимо його опір:

(3.1)

3. Визначимо основний розрахунковий параметр А:

для рис. 3.1,а

для рис. 3.1,б,в

для рис. 3.1,г

для рис. 3.1,д

4. За допомогою графіків на рис. 3.3 визначаємо значення додаткових коефіцієнтів В, D, F. Після цього з виразів, що наведені в табл.3.2 знаходимо напругу та струм на вторинних обмотках трансформатора U1 та І1, струм первинної обмотки І_вх, потужність трансформатора Р_тр, максимальний випростаний струм І_в.max та уточнюємо величини І_в.ср і U_зв.max. Перевіряємо, чи підходять нам вибрані діоди за розрахунковими значеннями І_в.ср , U_зв.max, І_в.max.

Рисунок 3.3 – Визначення коефіцієнтів B, D, F

Таблиця 3.2 – Розрахунок параметрів випростовувачів при роботі на ємність

Тип вип.-рос-тову-вача
Рис. 3.1, а
Рис. 3.1, б
Рис. 3.1, в
Рис. 3.1, г
Рис. 3.1, д

5. З графіків на рис. 3.4 визначаємо параметр Н. Для рис.3.1, а, г параметр Н знаходимо за кривою 1, а для рис.3.1, б, в - за кривою 2.

Рисунок 3.4 – Визначення параметру Н

6. Згідно з заданим коефіцієнтом пульсацій Кп і Н для рис. 3.1, а - в визначаємо ємність конденсаторів фільтра Сф (в мкФ):

(3.2)

Ємність конденсаторів (в мкФ) для рис. 3.1, г знаходиться з виразу:

(3.3)

Задане значення Кп не повинно перевищувати 0.1 - 0.15.

Ємність конденсатора фільтра Сф (в мкФ) можна визначити й без використання графіків на рис. 3.4 за наступною залежністю:

, (3.4)

де Uн - напруга на навантаженні, В.

При виборі конденсаторів для випростовувача з помноженням напруги (рис.3.1, д) необхідно враховувати, що Кп на кожному конденсаторі приблизно в два рази більший за результуючий. Ємність всіх конденсаторів (в мкФ) вибирається однаковою і розраховується за виразом:

(3.5)

Для запобігання виникнення гармонійних спотворень в електронних пристроях за рахунок джерела живлення, електролітичні конденсатори фільтрів необхідно шунтувати неполярними керамічними чи паперовими конденсаторами малої ємності.