Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения, т.е.

Средний ток через диод равен

К недостаткам этой схемы можно отнести:

· Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

· Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

· Более низкие качественные показатели (K_п, K₀) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.

· Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения и возрастают пульсации.

· С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из - за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

· более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

· с точки зрения монтажа – существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе.

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель (схема Ларионова) инвариантен к схеме соединения трехфазного источника входного напряжения («звезда» или «треугольник») и требует для построения шести полупроводниковых диодов. Схема такого выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис. 5.

В схеме Ларионова имеется возможность использовать обе полуволны питающего трехфазного напряжения для обеспечения тока в нагрузке. Поэтому выпрямленное напряжение u_н отличается более высоким качеством, а продолжительность проводящих интервалов для последовательно соединенных диодных пар (VD1 и VD4; VD3 и VD6; VD2 и VD5) составляет Т/6.

Рис. 5. Схема трехфазного двухполупериодного

выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие его работу

Основные параметры

К недостаткам схемы можно отнести:

· Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.

· Наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

· Высокое значение коэффициента выпрямления и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.

· Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.

· Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный).

· Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

Данная схема обладает высоким коэффициентом использования мощности трансформатора, малым значением обратного напряжения на диоде, повышенной частотой пульсаций выпрямленного напряжения. Эта схема применяется в широком диапазоне выходных мощностей и выпрямленных напряжений. Соединение вторичной обмотки трансформатора звездой позволяет избежать появления уравнительных токов при асимметрии фазных напряжений.

Для устранения нежелательного влияния переменной составляющей напряжения в цепях питания применяются фильтры, которые должны вносить максимально большое затухание для переменной составляющей и минимальное затухание для постоянной составляющей напряжения.

Основным показателем фильтра является коэффициент сглаживания, который, являясь безразмерной величиной, определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе. Обычно коэффициент сглаживания рассчитывается по первой гармонике переменной составляющей. Определяя коэффициент пульсаций через отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей (среднему значению) напряжения, можно коэффициент сглаживания представить в виде

где К_Ф – отношение амплитуд первой гармоники на входе U_m1 и на выходе U_m2 фильтра, называемое коэффициентом фильтрации; К_П – величина, обратная отношению среднего значения напряжения на выходе U₀₂ и на входе U₀₁ фильтра, которая называется коэффициентом передачи. С учетом принятых обозначений коэффициент фильтрации фильтра К_Ф=qК_П.

Эффект сглаживания в фильтре может быть достигнут либо введением в последовательную с нагрузкой цепь элемента с большим реактивным сопротивлением для спектра подавляемых частот, либо подключением параллельно нагрузке элемента с очень малым сопротивлением для указанных частот.

Сглаживающие фильтры делятся на две основные категории. К первой относятся фильтры, в состав которых входят только пассивные реактивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), а к другой – фильтры, которые содержат также активные элементы, например транзисторы, работающие в усилительном режиме.

Если пульсация напряжения происходит на одной или нескольких фиксированных частотах, то целесообразно применять резонансные фильтры, у которых собственная частота LC-контуров совпадает с частотами пульсаций напряжения. В случае необходимости подавления спектра частот применяется фильтр, собственная частота которого выбирается меньше, чем частота наиболее низкой гармоники сглаживаемого напряжения.

Фильтрация переменной составляющей основана на том, что последовательно с нагрузкой включаются элементы, имеющие большое сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока и малое для постоянной, а параллельно нагрузке элементы, имеющие малое сопротивление для переменной составляющей и большое для постоянной составляющей. Последовательными элементами могут быть катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником или параллельный контур, настроенный в резонанс на частоту пульсаций. Элементом, включаемым параллельно нагрузке, может быть конденсатор большой емкости или последовательный контур, настроенный в резонанс на частоту пульсации.

Простейшие из фильтров состоят из одного конденсатора или одного дросселя. Более сложные – из одного Г-образного звена – соединения дросселя и конденсатора (звено L, C), или конденсатора и резистора (звено R, C) или одного П-образного звена. П-образное звено состоит из конденсатора и Г-образного звена. В Г-образном звене фильтра последовательно с нагрузкой включается дроссель или резистор и параллельно – конденсатор. П-образный фильтр имеет два звена. Первым является конденсатор, а вторым – какой-либо Г-образный фильтр.

Сглаживающие фильтры разделяются на однозвенные и многозвенные. Последние представляют собой фильтры, в которых последовательно включается несколько звеньев. В свою очередь, однозвенные фильтры могут содержать один или несколько реактивных элементов.

Рассмотрим примеры некоторых пассивных фильтров.

Рис. 6 Индуктивный и емкостной сглаживающие фильтры

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного последова-тельно с нагрузкой. Дроссель – это катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Любое изменение тока в цепи с индуктивностью вызывает появление ЭДС самоиндукции, препятствующей этому изменению, поэтому переменная составляющая выпрямленного тока будет уменьшаться (сглаживаться). Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно сопротивлению нагрузки. Для получения достаточно большого коэффициента сглаживания необходимо выбрать емкость конденсатора такой, чтобы его сопротивление переменной составляющей тока было заметно меньше сопротивления нагрузки.

Коэффициент фильтрации фильтра с одним идеальным индуктивным элементом L равен KФ=1+2π fL/RН, где f – частота нижней гармоники фильтруемого напряжения. Учитывая, что второе слагаемое всегда значительно больше единицы, то с достаточной точностью KФ=2π fL/RН. Сглаживающий фильтр с одним индуктивным элементом не нашел широкого применения, так как его свойства сильно зависят от величины и характера нагрузки. Недостатком является и то, что конструкция фильтра требует применения громоздкого дросселя, стальной сердечник которого должен иметь воздушный зазор.

Рис. 7. LC-фильтр

LC-фильтр или Г-образный фильтр состоит из дросселя, включенного последовательно в цепь выпрямленного тока, и конденсатора, подключенного параллельно нагрузке. Применение двух реактивных элементов улучшает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. В Г-образном фильтре реактивное сопротивление конденсатора, так же как и в фильтре с конденсатором, выбирается значительно меньше сопротивления нагрузки, а индуктивное сопротивление дросселя фильтра делается много большим сопротивления конденсатора. Таким образом, Г-образный фильтр является реактивным делителем переменного напряжения. Практически все напряжение пуль-саций падает на дросселе фильтра. Выпрямителю, работающему на Г-образный фильтр, обеспечивается индуктивная реакция нагрузки, так как реактивное сопротивление дросселя для первой гармоники больше сопротивления нагрузки и больше реактивного сопротивления конденсатора.

Чтобы потери выпрямленного напряжения в фильтре были малы, дроссель должен выполняться так, чтобы активное сопротивление его обмотки было незначительно по сравнению с сопротивлением нагрузки. Поэтому при выводе расчетных формул активным сопротивлением обмотки дросселя пренебрегают.

Коэффициент сглаживания данного фильтра будет равен:

m – число фаз выпрямления.

При расчете фильтра необходимо обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при которых не могли бы возникнуть резонансные явления на частоте пульсаций выпрямленного напряжения. Для этого необходимо, чтобы собственная частота фильтра ω ф была хотя бы в 2 раза меньше частоты пульсаций (ω _ф≤ 0, 5m ω _c). Это условие всегда выполняется при q> 3.

Постоянный ток нагрузки, протекая по обмотке дросселя, создает по-стоянное подмагничивание его сердечника, что смещает рабочую точку на кривой намагничивания на пологий участок, соответствующий магнитному насыщению. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и, следовательно, индуктивности дросселя. Для снижения влияния подмагничивания на индуктивность дросселя сердечник дросселя выполняется с немагнитным зазором.

Рис. 8. RC-фильтр

Иногда в LC-фильтре заменяют индуктивность на сопротивление. Получается Г-образный RC-фильтр. Переменная составляющая тока будет проходить через сопротивление фильтра R_ф и конденсатор С. Так как емкостное сопротивление конденсатора мало по сравнению с сопротивлением фильтра, то последним можно пренебречь. Выходное напряжение пульсаций определяется общим сопротивлением параллельного включения конденсатора и нагрузки. Коэффициент сглаживания данного фильтра будет равен:

Если сопротивление фильтра мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, то коэффициент сглаживания одного Г-образного звена RC-фильтра

Зная требуемый коэффициент сглаживания фильтра и определяя сопротивление фильтра находим емкость фильтра С:

Рис. 9. П-образные фильтры: а) CLC; б) CRC.

П-образный фильтр состоит из двух звеньев: емкостного С, включенного на входе фильтра, и следующего за ним Г-образного LC- или RC-звена. Коэффициент сглаживания П-образного фильтра выше, чем у однозвенного, и равен произведению коэффициентов сглаживания первого и второго звеньев.

Электронные или активные фильтры

Электронными или активными фильтрами электропитания называются фильтры с применением активных усилительных элементов. В различных литературных источниках такие фильтры также называют транзисторными. Активные фильтры можно разделить на две основные группы:

- фильтры с линейным принципом регулирования энергии;

- фильтры с импульсным принципом регулирования энергии.

Рассмотрим пример транзисторного фильтра.

Рис. 10. Транзисторный последовательный фильтр

Принцип действия такого фильтра основан на нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Зависимость коллекторного тока I_C от напряжения эмиттер-коллектор U_CE такова, что транзистор обладает весьма большим сопротивлением переменному току (большим динамическим сопротивлением). На рис. 3.10 приведена схема транзисторного П-образного фильтра. Первое звено фильтра представлено конденсатором С_ф1, а второе, Г-образное, состоит из транзистора VT и конденсатора С_ф2. Ток коллектора транзистора определяется током эмиттера I_E. Если последний поддерживается постоянным, то колебания входного напряжения, вызванные, например, пульсацией выпрямленного напряжения, не вызывают изменения I_C (следовательно, и напряжения на нагрузке), а приводят только к перемещению рабочей точки транзистора по пологой части его характеристики I_C=f(U_CE). Для того, чтобы ток эмиттера I_E не изменялся под воздействием пульсаций, в цепь транзистора введены сопротивление R₁ и конденсатор С₁. Емкость конденсатора С₁ выбирается достаточно большой, чтобы обеспечить постоянство тока I_E при воздействии пульсаций. Режим работы транзистора по постоянному току задается в схеме фильтра сопротивлением в цепи базы R₂.

В рассмотренной схеме транзистор включен последовательно с нагрузкой, но существуют также схемы с параллельным включением транзистора, принцип действия которых также основан на нелинейности сопротивления транзистора.

Транзисторные фильтры целесообразно применять для согласования пульсаций низких частот в маломощных выпрямителях. В этих случаях использование их может дать выигрыш в массе и габаритах выпрямительного устройства. Основными недостатками транзисторных фильтров по сравнению с обычными пассивными являются более высокая стоимость, трудность обеспечения защиты транзистора в аварийных режимах и боле низкая надежность.

Фильтры с импульсными принципами регулирования нашли широкое применение в современных источниках питания и их количество постоянно растет. Коэффициент полезного действия таких фильтров весьма высок и практически не зависит от величины входного напряжения и пульсаций (или зависит много меньше, чем у линейных). Основную функцию фильтрации (сглаживания) низкочастотных пульсаций выполняют импульсные преобразователи. Одним из наиболее распространенных активных фильтров является корректор коэффициента мощности.

3. Стабилизаторы напряжения линейного типа.

Стабилизатор – устройство автоматического поддержания в заданных пределах напряжения или тока при воздействии дестабилизирующих факторов (напряжение, ток, температура, давление, влажность и пр.).

Стабилизатор должен обязательно иметь регулирующий орган (РЭ - регулирующий элемент). В зависимости от способа включения РЭ все стабилизаторы делят на параллельные и последовательные.

В параллельном стабилизаторе РЭ включен параллельно нагрузке. Эти стабилизаторы не боятся перегрузок по току и КЗ нагрузки.

Через балластный резистор протекает ток . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения тока можно менять падение напряжения на и тем самым поддерживать выходное напряжение постоянным .

В последовательном стабилизаторе РЭ включен последовательно в цепь тока нагрузки

Здесь . Если изменяется входное напряжение, то путем изменения внутреннего сопротивления РЭ можно изменять падение напряжения на нём и поддерживать выходное напряжение постоянным .

В зависимости от того, чем управляется РЭ все стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах управление РЭ производится тем же внешним воздействием, которое нарушает постоянство выходной величины. В них используются нелинейные свойства характеристик приборов (вольт-амперных, ампер-вольтовых, вебер-амперных, Ом-градусных, вольт-секундных и др.) - это стабилитроны, дроссели насыщения, термосопротивления и т.п.

В компенсационных стабилизаторах управление РЭ производится отклонением выходной величины от заданного значения независимо от того, чем вызвано это отклонение. Эти стабилизаторы содержат эталон и цепь обратной связи.

Стабилизаторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению в номинальном режиме:

иногда используется нестабильность выходного напряжения при неизменной нагрузке (или статическая ошибка)

при

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора:

при

Зная можно найти при изменении тока нагрузки.

Вместо иногда используют нестабильность выходного напряжения по току нагрузки (или динамическая ошибка):

при

3. Температурная нестабильность:

или

При

4. Коэффициент сглаживания пульсаций:

,

где - амплитуда пульсаций.

Если пульсации считать нестабильностью входного напряжения определённой частоты, то q должен быть равным K_U, но обычно это не выполняется в компенсационных стабилизаторах из-за частотных свойств цепи обратной связи, поэтому q ≠ K_U.

5. Коэффициент полезного действия:

Стабилизаторы напряжения переменного тока дополнительно характеризуются нестабильностью по частоте сети (), нестабильностью входного импеданса () и коэффициентом мощности. Существенны также их масса, объём и срок службы.