200101_jeimpt_lr_2012

Основные характеристики ИВЭП делятся на три группы: входные,

выходные и эксплуатационные.

К входным характеристикам ИВЭП относят: значение и вид напряжения первичного источника питания; нестабильность амплитуды, частоты и фазы питающего напряжения и т. д.

Выходными характеристиками ИВЭП обычно считают: значения выходных напряжений и их нестабильность; ток нагрузки или выходную мощность; наличие гальванической изоляции между входом

ивыходом и т. п.

Кэксплуатационным характеристикам относят: параметры окружающей среды; коэффициент полезного действия; удельную мощность и т. п.

Структурная схема ИВЭП зависит от типа первичных источников электрической энергии, которые делятся на источники переменного и постоянного напряжения. Источники переменного напряжения чаще всего вырабатывают напряжение гармонической формы с фиксирован-

ной частотой и амплитудой. Источниками постоянного напряжения

могут быть, например, аккумуляторы.

41

Структурные схемы ИВЭП, подключаемые к сети переменного напряжения через силовой трансформатор, можно разделить на три группы [11]: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные

(рис. 3.2).

Схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом (см. рис. 3.2, а) состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсации. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к удельной мощности и качеству выходных напряжений невысокие.

Рисунок 3.2 – Структурные схемы ИВЭП с трансформаторным входом,

снерегулируемым выпрямителем (а), с регулируемым выпрямителем (б)

исо стабилизатором (в)

Если требуется изменять выходное напряжение ИВЭП, то в схему вводится регулируемый выпрямитель (рис. 3.2, б) на основе тиристоров. Основным недостатком такого ИВЭП является необходимость в ручной периодической регулировке выходного напряжения при изменении напряжения сети.

От этого недостатка свободен ИВЭП со стабилизатором (рис. 3.2, в), в схему которого после фильтра включается стабилизатор с непрерывным или импульсным регулированием выходного напряжения. Удельная мощность такого ИВЭП невелика из-за наличия силового трансформатора, работающего на частоте силовой сети, и необходимости использования стабилизатора.

42

Совершенствование ИВЭП с целью повышения их КПД и увеличения удельной мощности привело к созданию импульсных ИВЭП.

Выпрямители источников электропитания

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

В состав выпрямителя могут входить (рис. 3.3.): силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ, стабилизатор напряжения СН и в некоторых случаях устройство защиты и контроля УЗК.

Рисунок 3.3 – Обобщенная структурная схема выпрямителя

Трансформатор СТ преобразует сетевое напряжение и обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей наиболее часто используются полупроводниковые приборы, обладающие односторонней проводимостью: диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в прямом и совсем не пропускать его в обратном направлении. Реальные вентильные элементы пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока, что снижает КПД, как вентильного блока, так выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсации выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С или активных элементах – транзисторах, операционных усилителях. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

43

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий (изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, нагрузки и пр.) на выходное напряжение выпрямителя. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может отсутствовать.

В выпрямитель могут также входить различные вспомогательные блоки, предназначенные для повышения его надежности, например

устройство защиты и контроля УЗК.

Выпрямители различают: по количеству выпрямленных полуволн напряжения, числу фаз силовой сети, схеме вентильного блока, типу сглаживающего фильтра, наличию трансформатора и пр.

По количеству выпрямленных полуволн отличают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и т. д. выпрямители [7]. По схеме вентильного блока различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением одно-

фазных выпрямителей (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: однополупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мостовой (в) и однофазный с последовательным

включением (схема удвоения) (г)

Однофазный однополупериодный выпрямитель (см. рис. 3.4, а) яв-

ляется простейшим. Выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рис. 3.5, а. Такие

44

выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 3.4, б) пред-

ставляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w2 и w2`.

Рисунок 3.5 – Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питаемых от однофазной сети, при резистивной нагрузке без фильтра: однополупериодного (а) и двухполупериодного (б)

С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямителя напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя показана на рис. 3.5, б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 3.4, в) является двухпо-

лупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако, трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током, и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше

5В).

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 3.4, г)

представляет собой последовательное соединение двух однофазных

45

однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VD1 заряжается конденсатор C1, а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С2 заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы C1 и С2 могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы (рис. 3.4, в) если заменить диоды VD3 и VD4 конденсаторами C1 и С2. В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам – наличие двух конденсаторов С1, и С2.

3.4 Описание экспериментов и исследуемых схем

Исследование работы однополупериодного выпрямителя [12] можно провести в системе моделирования EWB с использованием схемы (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Схема для исследования однополупериодного выпрямителя

Для исследования двухполупериодного выпрямителя со средней

46

точкой используется схема (рис. 3.7).

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) однополупериодного выпрямителя вычисляется по формуле:

Ud Um .

(3.1)

Среднее значение Ud двухполупериодного выпрямителя вдвое больше:

Ud 2Um .

(3.2)

Рисунок 3.7 – Схема для исследования двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Частота выходного сигнала f для схемы с однополупериодным или двухполупериодным выпрямителем вычисляется как величина, обратная периоду выходного сигнала:

f 1 T .

(3.3)

При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрями-

47

20 :1.

теля в два раза больше, чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение Umax на диоде однополупериодного выпрямителя равно максимуму входного напряжения. Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и прямого падения напряжения на диоде Unp:

Umax U2m UПР .

(3.4)

Коэффициент трансформации определяется формулой

KТР W1 W2 ,

(3.5)

где W1 и W2 – соответственно число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора и в схеме, приведенной на рис. 3.6, составляет КТР

3.5 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

а) Измерение входного и выходного напряжения

Создайте и включите схему (рис. 3.6). На вход «А» осциллографа подается входной сигнал, а на вход «В» – выходной. Зарисуйте осциллограммы в разделе «Содержание отчета» (рис. 3.8). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

Измерьте по осциллограмме период Т выходного напряжения

изапишите результат в раздел «Содержание отчета». Вычислите частоту выходного сигнала.

в) Определение максимального обратного напряжения на диоде

Определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде

изапишите в раздел «Содержание отчета».

г) Определение коэффициента трансформации

Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора

48

в режиме, близком к холостому ходу. Запишите результат в раздел «Содержание отчета».

д) Вычисление среднего значения выходного напряжения

Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Результат запишите в раздел «Содержание отчета». Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.

Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора

а) Измерение входного и выходного напряжения

Создайте схему (рис. 3.7). На вход «А» осциллографа подайте входной сигнал, а на вход «В» – выходной. Зарисуйте полученные осциллограммы в разделе «Содержание отчета» (рис. 3.9). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

Измерьте период Т по осциллограмме выходного напряжения и запишите результат в раздел «Содержание отчета». Вычислите частоту выходного сигнала.

в) Определение максимального обратного напряжения на диоде

По осциллограмме выходного напряжения, определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде. Запишите результат в раздел «Содержание отчета».

г) Вычисление среднего значения выходного напряжения

Вычислите среднее значение Ud выходного напряжения, (постоянная составляющая) запишите результат в раздел «Содержание отчета». Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.

3.6 Содержание отчета Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряже-

ния однополупериодного выпрямителя

а) Измерение входного и выходного напряжения

Максимальное входное напряжение (измерение), Um вх = ______ В. Максимальное выходное напряжение (измерение), Um вых = ____ В.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

Период выходного сигнала (измерение), T = _______ с. Частота выходного сигнала (расчет), f = _______ Гц.

в) Определение максимального обратного напряжения на диоде

49

Максимальное обратное напряжение на диоде

(измерение),

Umax = _____ В.

г) Определение коэффициента трансформации

Коэффициент трансформации (расчет),

Ктр = ______ .

д) Вычисление среднего значения выходного напряжения

Постоянная составляющая напряжения на выходе

(расчет),

Ud р = ______ B,

(измерение),

Ud = _______ B.

Рисунок 3.8 – Осциллограммы напряжения однополупериодного выпрямителя

Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора

а) Измерение входного и выходного напряжения

50