Структурные схемы ИВЭП.

Рассмотрим типовые структурные схемы наиболее массовых ИВЭП получающих энергию от промышленной сети ~220В 50Гц и преобразующих ее в постоянное низкое сглаженное стабилизированное напряжение. Это необходимо для большинства электронных приборов и устройств.

ИВЭП с низкочастотным трансформатором на входе.

Исторически первой и наиболее применяемой была схема с низкочастотным понижающим сетевым трансформатором.

Рассмотрим отдельные узлы такой схемы.

Трансформатор (Т) – статическое устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции напряжений переменного тока с одними параметрами в напряжение с другими параметрами. С помощью силового трансформатора источника вторичного электропитания осуществляется гальваническая развязка высоковольтных, опасных для жизни цепей напряжения электрической сети и вторичных цепей устройств потребителей. Низкочастотные трансформаторы малой мощности промышленного изготовления обладают высокой надежностью и энергетической эффективностью (КПД). С определенной степенью приближения трансформатор можно считать линейным устройством преобразования электрической энергии.

Выпрямительное устройство (В) источника питания предназначено для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В источниках вторичного электропитания находят применение нерегулируемые и реже регулируемые выпрямители, выполняемые на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах. В регулируемых выпрямителях одновременно с функцией выпрямления выполняется регулирование выходного напряжения. Выпрямитель является нелинейным устройством, которое в общем случае обладает определенной энергетической эффективностью.

Источники питания включают, как правило, несколько фильтров (ФНЧ - фильтр низкой частоты ), с помощью которых осуществляется подавление паразитных гармоник напряжения и тока или сглаживание выпрямленного напряжения. Пассивные фильтры (включающие емкости, индуктивности и резисторы) являются линейными устройствами, поскольку строятся на основе только линейных элементов. Для фильтрации низкочастотных пульсаций и получения весьма значительного подавления помех используют активные фильтры. В большинстве случаев применения фильтр источников питания обладает высоким КПД.

Большинство источников вторичного электропитания содержат в своем составе стабилизаторы напряжения и тока, как простейшие параметрические, так и более сложные – компенсационные. Стабилизаторы предназначены для автоматического поддержания напряжения (тока) на выходе с заданной степенью точности. Стабилизаторы являются сравнительно сложными устройствами, КПД которых зависит от типа стабилизатора и принципа регулирования энергии.

Достоинства такой схемы: простота, недорогие типовые электронные полупроводниковые элементы и малое их количество.

Недостатки: большая масса и габариты низкочастотного трансформатора, сглаживающего фильтра, линейного стабилизатора напряжения, а также большие потери в стабилизаторе. Из-за этих недостатков такая схема питания в современных устройствах применяется редко.

ИВЭП с высокочастотным промежуточным звеном.

Из всех узлов ИВЭП наиболее громоздкие как правило узлы выполненные на магнитопроводах из ферромагнитного материала (трансформаторы и дроссели фильтров). Увеличение рабочей частоты приводит к значительному уменьшению массы и габаритов этих электромагнитных элементов и сглаживающих фильтров. Поэтому сейчас в современных устройствах электроники применяются схемы ИВЭП с высокочастотным (ВЧ) промежуточным звеном или по другому ИВЭП с бестрансформаторным входом.

В состав такого ИВЭП входят:

- бестрансформаторный сетевой выпрямитель (В1), часто диодная сборка мостового типа;

- фильтр низкой частоты (ФНЧ1), обычно емкостной;

- высокочастотный инвертор (Пр1), преобразует высокое постоянное напряжение в переменное напряжение высокой частоты (20-50 кГц). Инвертор выполняется на высоковольтных полевых транзисторах (раньше изготавливали на биполярных). Транзисторы работают в ключевом режиме с малыми потерями мощности. Инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения в зависимости от величины выходного напряжения изменяется коэффициент заполнения импульсов;

- после инвертора располагается высокочастотный трансформатор, который понижает уровень переменного напряжения и осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки. Магнитопровод такого трансформатора выполняют из феррита, имеющего малые потери на высокой частоте;

- высокочастотный выпрямитель (В2) выполняется на диодах с хорошими частотными и импульсными параметрами;

- сглаживающий фильтр (ФНЧ2) обычно индуктивно-емкостный.

Несмотря на очевидное усложнение структуры и техники такие ИВЭП имеют существенные меньшие массогабаритные показатели и более высокий КПД по сравнению с традиционными ИВЭП. Высокочастотное звено - инвертор, трансформатор и выпрямитель образуют конвектор. ИВЭП с ВЧ звеном используются во многих блоках питания компьютеров, мониторов, зарядных устройств для сотовых телефонов и т.д.

2. Основные схемы выпрямителей. Сглаживающие фильтры.

Основными параметрами выпрямителей являются:

1. Среднее значение выходного напряжения

2. Среднее значение выходного тока

3. Коэффициент пульсаций выходного напряжения (тока) – отношение амплитуды первой гармоники напряжения пульсаций к среднему значению.

Однофазный однополупериодный выпрямитель (однофазный однотактный).

Рис. 1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рассмотрим работу данной схемы в предположении, что входное напряжение изменяется по закону . На интервале времени 0< t< Т/2 (0< t< π) полупроводниковый диод VD смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала.

На интервале Т/2< t< Т (π < t< 2π) диод VD смещен в обратном направлении и напряжение (ток) в нагрузке равен нулю.

При заданном входном напряжении для нечетных его полупериодов выпрямленный ток в нагрузочном резисторе будет создавать на нем падение напряжения, среднее значение которого будет равно:

где - амплитуда входного напряжения, или используя известное соотношение, связывающее амплитудное и действующее значения напряжения переменного тока

где - действующее значение входного напряжения.

По аналогии, предполагая, что амплитуда выпрямленного тока

для среднего тока в нагрузочном резисторе можно записать

- амплитуда выпрямленного тока.

Действующий ток в нагрузочном резисторе, равный току диода, определяется выражением

Максимальное обратное напряжение на диоде

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения, для рассматриваемой схемы

Как видно из последнего выражения, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, а потому находит ограниченное применение.

Достоинства: простота схемы, имеется один трансформатор и один диод.

Недостатки: большие размеры и вес трансформатора, значительная величина обратного напряжения на диоде, большая величина и низкая частота пульсаций.

Двухтактный выпрямитель со средней (нулевой) точкой трансформатора (однофазный двухполупериодный)

Анализируя временные диаграммы работы однофазного однополупериодного выпрямителя можно сделать вывод, что параметры выходного напряжения выпрямителя можно существенно улучшить, если ток нагрузки будет протекать в оба полупериода действия выходного напряжения. Этого наиболее просто добиться, используя две схемы однополупериодного выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Реализация данной идеи требует использования двух источников первичного напряжения и имеющих общую точку. Полученная таким образом схема называется однофазной двухполупериодной схемой выпрямителя со средней точкой.

Рассмотрим ее работу. Для этого воспользуемся временными диаграммами, приведенными на рис. 2. На интервале времени 0< t< Т/2 (0< t< π) под действием напряжения диод VD1 смещен в прямом направлении и поэтому ток нагрузки определяется напряжением . На этом же интервале диод VD2 смещен в обратном направлении и к нему прикладывается сумма напряжений .

Рис. 2. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и временные диаграммы, поясняющие его работу.

В результате этого максимальное обратное напряжение запертого диода .

На интервале времени Т/2< t< Т (π < t< 2π) диод VD1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки под действием напряжения протекает через прямосмещенный диод VD2.

В данном случае средние значения напряжения нагрузки будут в два раза превышать напряжение однофазной однополупериодной схемы:

где и - амплитудные значения входного напряжения и тока, а U и I – их действующие значения.

Коэффициент пульсаций

К основным недостаткам данной схемы следует отнести: необходимость двух источников входного напряжения; высокое значение напряжения, прикладываемого к полупроводниковым диодам при их обратном смещении (); малое значение среднего напряжения , определяемого амплитудой , в то время как суммарная амплитуда входного напряжения схемы равна 2 .

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К₀, К_п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Однофазный мостовой выпрямитель.

Данная схема характеризуется высоким коэффициентом использования по мощности трансформатора и поэтому позволяет добиться оптимальных характеристик выпрямителя в большинстве практических случаях. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. В течение каждого полупериода переменного напряжения ток проходит через вторичную обмотку трансформатора и одну пару диодов: VD1, VD3 либо VD2, VD4.

Достоинство данной схемы – повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение на диодах, возможность работы без трансформатора; недостаток – повышенное падение напряжения на диодах и необходимость применения изолирующих прокладок при установке диодов на один радиатор.

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

- высокое значение коэффициента выпрямления К₀, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

- по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Рис. 3. Схема однофазного мостового выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Основные параметры данной схемы:

Используя рассмотренные выше принципы, можно построить схемы выпрямителей, работающих от трехфазной сети переменного тока. Для получения схемы трехфазного однополупериодного выпрямителя необходимо использовать входной источник со схемой соединения «звезда» и три однополупериодных выпрямителя.

Рис. 4. Схема трехфазного однополупериодного (с нулевой точкой) и временные диаграммы, поясняющие его работу

Анализ временных диаграмм показывает, что в этом случае в течение одного периода изменения входного напряжения последовательно проводят три диода (по Т/3 каждый). Следовательно, к данной схеме выпрямителя применимы полученные ранее выражения. В соответствии с этим

- амплитуда фазного напряжения.