Лекция по теме «Источники вторичного электропитания»

3.1. Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для по­лучения напряжения, необходимо для питания различных электронных устройств. Действующее значение напряжения сети перемен­ного тока составляет 220 В. Для работы электронных приборов необходимо постоянное напряжение, величина которого обычно не превы­шает нескольких вольт. Вторичные источники получают энергию от первич­ных источников: сети переменного тока, аккумуляторов и т. д.

Структурная схема ИВЭП, получающего энергию от сети переменного тока, показана на рис. 9. Трансформатор предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выпрямитель преобразует переменное напряжение синусои­дальной формы в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглажива­ющий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает колебания напряжения на нагрузке.

Рис. 9. Структурная схема источника вторичного электропитания (ИВЭП)

3.1.1 Выпрямители

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения пи­тающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат выпрямительные полупроводниковые диоды. Такие выпрямители используют в маломощных (до не­скольких сотен ватт) источниках питания.

В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении.

Диоды применяются для выпрямления переменного тока и в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам.

Рассмотрим только выпрямители однофазного переменного тока.

1.Однополупериодная схема. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Простейшая однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой для выпрямления переменного тока показана на рисунке 10.

Рис. 10 Схема однополупериодного выпрямителя

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну выпрямляемого напряжения (рис. 11). В тот момент, когдаU₂ положительно относительно общего провода, диод оказывается смещён в прямом направлении и передаёт положительную полуволну в нагрузку. Когда напряжениеU₂ отрицательно, диод смещён в обратном направлении, ток через него отсутствует и в нагрузке формируется нулевое напряжение. Следующая положительная полуволна пойдёт в нагрузку.

Рис. 11 Форма напряжения на входе и выходе однополупериодного выпрямителя

Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение Uс. Если падением напряжения на диоде пренебречь, то

Uс =0,3Um,

где Um=U2 — напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению амплитуды первой (основ­ной) гармоники выпрямленного напряжения к его среднему значению. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями и малым КПД непригодно для практических целей.

2.Двухполупериодные  схемы.

2.1. Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Меньший уровень пульсаций вы­прямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрями­телях, в которых ток нагрузки протекает в течение обоих полупериодов действия входного напряжения.

Рис. 12 Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Для этого используют две схемы однополупериодного выпрямителя, работающие синхронно и противофазно на одну нагрузку.Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками.Один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.Вторичная обмотка трансформатора со средней точкой (рис. 12)создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению, которые сдвинуты относительно средней точки по фазе на 180º.

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD₁ и VD₂. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора W₂₁ и W₂₂ находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD₁ и VD₂ проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₁ и ток  проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмоткуW₂₁ трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₂, ток  проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w₂₂ трансформатора, причем в цепи нагрузки ток i_d проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.
На интервале времени (0, Т/2) по действие напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом направлении (при этом диод VD2 смещен в обратном направлении) и ток в нагрузочном резисторе Rн определяется только напряжением Uвх1. На интервале времени (Т/2, Т) диод VD1 смещен в обратном направлении и ток в нагрузочном резисторе протекает через прямосмещенный диод VD2 и определяется напряжением Uвх2. Таким образом ток на нагрузочном резисторе одинаковое направление в оба полупериода, (рис. 13). Средние значения тока и напряжения на нагрузочном резисторе буду в два раза превышать значения для однополупериодной схемы.

Uс =0,6Um,

Рис. 13 Форма напряжения на входе и выходе двухполупериодного выпрямителя

Достоинства двух полупериодной схемы выпрямления со средней точкой:

1. Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя KП=0,67.
2. Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя  синусоидальный, а  не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом  уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.

Недостатки двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой:

1. Во время прохождения тока через один из диодов обратное напряжение на другом (закрытом) диоде в пике достигает удвоенного максимального входного напряжения:

Uобр max=2Umax.

Поэтому выбирают диоды с большим обратным напряжением.

2. Потребность в двух источниках входного напряжения. Один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.

2.2. Мостовая двухполупериодная выпрямительная схема 

Однако необходимость в средней точке отпадет, если и второй вывод нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым на соответствующем интервале времени выводам источников питания. Схемотехническая реализация такого метода представлена на рис. 14. Эта схема являетсясамой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений и  называется мостовой, поскольку в ней применен диодный мост. К одной из диагоналей моста присоединяют вторичную обмотку трансформатора, а к другой — нагрузочный резистор. Иногда на схемах диодный мост изображают с помощью одного диода.

Рис. 14 Схема мостового двухполупериодного выпрямителя

Диаграммы напряжений и токов, 1.5. Выходное напряжение Uн при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения.  Это получается в результате поочередного отпирания диодов VD1, VD3 и VD2, VD4. Диоды VD1 и VD3 открыты при полуволне напряжения U2  положительной полярности (без скобок), обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжение  Uн  той же полярности, что и напряжение U2. На полуволне напряжения U2 отрицательной полярности (со скобками) открыты диоды VD2 и VD4, подключающие напряжение U2 к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем    интервале.
Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффици­ента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора.

Преимущества мостовой  двухполупериодного выпрямления:

1. Обратное напряжения на дио­дах в два раза меньше.
2. Вторичная обмотка трансформатора со­держит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка трансформатора в схе­ме с общей точкой.
3. Часто все четыре диода с одинаковыми параметрами размещают в одном корпусе -диодная сборка. Диодная сборка является более технологичной деталью, поскольку занимает меньше места на печатной плате.

Рис. 15. Форма напряжения и тока на входе и выходе двухполупериодного выпрямителя с мостовой схемой