В Бессонов - Радиоэлектроника для начинающих (и не только)

Рис. 5.3. Схема ( а) и временные диаграммы напряжений и токов ( б) мостового выпрямителя

Основные параметры мостового выпрямителя:

Анализ приведённых соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления R нмостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока I н. сри напряжения U н. срв два раза больше, а пульсации значительно меньше. Амплитуда основной гармоники частотой 2 ω1 равна (2/3)∙ U н. ср. Следовательно, р ~= 0,67.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т. е. U 2m= √(2 U2). Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 5.4, а ) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор R н.

Действительно, в каждый из полупериодов напряжения u abработает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки 0 (интервал времени 0 — Т /2), диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки 0 .

В этот период времени в нагрузочном резисторе R нпоявляется ток i н(рис. 5.4, б ). В следующий полупериод напряжения u ab, (интервал времени Т /2 — Т ) потенциал точки b выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки 0 . Диод VD2 открыт, а диод VD1 закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе R нимеет то же направление, что и в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U 2aи U 2bэти токи будут равны.

Рис. 5.4. Схема ( а) и временные диаграммы напряжений и токов ( б) выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора

Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовой выпрямитель, за исключением напряжения U обр. maxкоторое определяется напряжением u ab. При U ab= 2 U 2и одинаковых значениях сопротивлений нагрузочных резисторов R н

U обр. max ~= 3,14∙ U н. ср.

Все остальные соотношения для токов и напряжений определяются по формулам (5.5–5.7, 5.9), полученным для мостового выпрямителя, а коэффициент пульсаций р ~= 0,67.

Помимо указанного недостатка, в рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрямителях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое больше число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Достоинства этого выпрямителя — вдвое меньше количество диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как отмечалось выше, выпрямленное напряжение является пульсирующим, в котором можно выделить постоянную и переменную составляющие. Коэффициент пульсации для однополупериодного однофазного выпрямителя равен 1,57, а для двухполупериодного выпрямителя — 0,67.

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определённых значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать 10 -2…10 -3, для выходных усилительных каскадов — 10 -4…10 -5, для автогенераторов — 10 -5…10 -6, а для входных каскадов электронных измерительных устройств — 10 -6…10 -7. Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов.

Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а сопротивление катушки индуктивности очень мало.

Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания q , равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q= Р вх/ Р вых.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные. Здесь будем рассматривать самые простые фильтры.

5.2.1. Емкостные фильтры

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Его включают параллельно нагрузочному резистору R н(рис. 5.5, а ). Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображённых на рис. 5.5, б . В интервал времени t 2— t 3конденсатор через открытый диод VD заряжается до амплитудного значения напряжения u 2, так как в этот период напряжение u 2 > u C. В это время ток i a= i C+ i н. В интервале времени t 1— t 2, когда напряжение u 2 становится меньше напряжения на конденсаторе u С, конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе i н, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе R нснижается до некоторого значения, соответствующего времени t 3, при котором напряжение u 2 в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе u C. После этого диод вновь открывается, конденсатор С фначинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.