Основи електроніки (стр. 19 )

На рис. 5 наведені діаграми напруг і струмів в однофазній мостовій схемі випрямляча. Під впливом змінної синусоїдальної напруги U2 (рис. 5, а) на затискачах вторинної обмотки трансформатора в роботу по черзі включаються діоди Д1, ДЗ і Д2, Д4. Форма струмів, що проходять через ці діоди, показана на рис. 5, б і в.

Виникші в результаті двонапівперіодного випрямлення пульсуючий струм і напруга на опорі навантаження, а також їх постійні складові І0 і Uо показані на рис. 5, г

На відміну від попередніх схем струм і2 у вторинній обмотці трансформатора протікає протягом обох напівперіодів і є синусоідальним (рис. 5, д).

З наведених на рис. 17.5 діаграм видно, що випрямлений струм і напруга в даній схемі мають таку ж форму, як і в схемі з середньою точкою. Тому для мостової однофазної схеми виявляються справедливими співвідношення для схем з середньою точкою

Для отримання заданого струму І0 та напруги U0 напруга на вторинній обмотці трансформатора в мостовій схемі повинна мати таке ж значення, як напруга на одній половині вторинної обмотки у схемі з середньою точкою. Це дозволяє прийти до висновку, що зворотна напруга, що діє на діод, в мостовій схемі в 2 рази менша, ніж у схемі з середньою точкою. Дійсно, протягом того напівперіода, коли працюють діоди Д1 і ДЗ, «анод» діода Д2, з'єднаний з точкою Б вторинної обмотки, має негативний потенціал. У той же час «катод» діода Д2 має позитивний потенціал, рівний потенціалу точки А вторинної обмотки трансформатора (падінням напруги на провідному діоді Д1 можна знехтувати). Отже, максимальне значення зворотної напруги, прикладеної до діода Д2, дорівнює амплітудному значенню напруги вторинної обмотки:

Неважко побачити, що до діода Д4 прикладається така ж зворотна напруга, як до діоду Д2. Аналогічний результат можна отримати і для діодів Д1 і ДЗ.

Середнє значення струму Іср, що проходить через кожен діод, можна знайти за формулою

Діюче значення струму Ів що проходить через кожен діод, можна знайти за формулою

Проте слід врахувати, що струм через кожен діод в мостовій схемі проходить тільки протягом одного напівперіоду, в той час як струм у вторинній обмотці трансформатора проходить протягом всього періоду (рис. 5). Очевидно, що для синусоїдального струму з амплітудою І2т діюче значення дорівнюватиме

Так як мостова схема є двонапівперіодною, то частота пульсацій випрямленої напруги дорівнює подвоєній частоті мережі (fп = 2fс), а коефіцієнт пульсації так само, як і в схемі з середньою точкою, дорівнює

Мостова схема набула широкого поширення в сучасних випрямлячах. Зберігаючи всі переваги схеми із середньою точкою, вона має такі специфічні особливості:
1. Розміри і маса трансформатора менші внаслідок кращого використання обмоток по струму. Ця особливість мостової схеми основана на тому, що струм протікає протягом періоду у всій вторичній обмотці трансформатора, а не в одній її половині.
2. Конструкція трансформатора простіша, так як не потрібен спеціальний вивід від середньої точки вторинної обмотки.

3. Зворотня напруга, що припадає на один діод, удвічі менша.
Необхідність використання в схемі чотирьох діодів замість двох у схемі з середньою точкою є недоліком мостової схеми.

5.5 Згладжуючі фільтри

Рис 6

В більшості випадків при живленні електронної апаратури допускається дуже мала (близько десятих, сотих і навіть тисячних часток відсотка) пульсація випрямленої напруги. Тим часом на виході основних випрямних схем пульсація у багато разів перевищує допустиму. Для зменшення пульсації випрямленої напруги застосовуються згладжуючі фільтри.

Будь який згладжуючий фільтр повинен

забезпечувати зниження пульсації випрямленої напруги до заданого рівня, тобто повинен мати необхідний коефіцієнт згладжування q, величина якого визначається відношенням

де Кп і - коефіцієнти пульсації до (Кп) і після () згладжуючого фільтра.

Основною вимогою, що пред'являють до згладжуючого фільтру, є максимально можливе зменшення змінних складових випрямленого струму і напруги в опорі навантаження. Разом з тим при побудові схем згладжуючих фільтрів слід прагнути до того, щоб постійна складова випрямленого струму повністю пройшла через опір навантаження, а втрати постійної складової випрямленої напруги в елементах фільтра були мінімальними.

Для того щоб на виході випрямляча отримати напругу з меншими пульсаціями, достатньо паралельно опору навантаження включити конденсатор (рис. 6, а). У ті проміжки часу, коли діод пропускає струм, конденсатор запасає електричну енергію. Коли ж до діода прикладена зворотна напруга, конденсатор розряджається на опір навантаження. Таким чином, через навантажувальний опір струм проходить безперервно, причому пульсації випрямленої напруги і струму значно зменшуются. У зв'язку з цим схеми випрямлячів, що використовуються для живлення порівняно малопотужної електронної апаратури, як правило, мають на своєму виході конденсатор, який по суті є першим елементом згладжуєчого фільтра.

Величину вхідної ємності згладжуючого фільтра, що забезпечує пульсацію випрямленого струму не більше ніж на 10% при частоті мережі

fс = 50 Гц, підраховують за формулами:

для однонапівперіодної схеми

для двонапівперіодної схеми із середньою точки і мостової схеми

де С0 - вхідна ємність фільтра, мкФ; І0 – випрямлений струм, мА; U0 - випрямлена напруга, В.

Найбільш поширені схеми згладжуючих фільтрів наведені на рис. 6. Вибір тієї чи іншої схеми визначається величиною випрямленого струму, що проходить через фільтр, і допустимим значенням коефіцієнта пульсації випрямленої напруги на виході фільтра.

Як послідовні елементи фільтрів найчастіше використуються індуктивності (дроселі) і активні опори (резистори). Паралельними елементами фільтра зазвичай служать конденсатори.

Дія дроселя як елемента фільтра зводиться до того, що в ньому втрачається найбільша частка змінної складової напруги, так як його опір прагнуть вибрати значно більшим ніж навантажувальний опір Rн. Для постійної складової випрямленого струму індуктивний опір дроселя дорівнює нулю. Отже, втрати постійної складової напруги на дроселі обумовлені лише його незначним омічним опором і в більшості випадків ними можна знехтувати.

Дія конденсатора як елемента фільтра зводиться до того, що, шунтуючи опір навантаження, він пропускає через себе найбільшу частку змінної складової випрямленого струму, так як опір прагнуть обрати значно меншим навантажувального опору Rн. Для постійного струму опір ХСФ нескінченно великий, тому постійна складова випрямленого струму проходить в основному через опір навантаження.

Зазвичай як конденсатори фільтра використовуються електролітичні конденсатори, що володіють великою ємністю (порядку 10-40 мкФ). Робоча напруга конденсатора повинна перевищувати випрямлену напругу приблизно в 1,5 рази.

Рис.7

Широкого поширення отримали транзисторні згладжувальні фільтри. (рис. 7). Вони мають малі габарити і масу, не створюють небажаних магнітних полів, які виникають навколо дроселя фільтру, мають менші втрати випрямляючої напруги.

Необхідно відзначити, що при розрахунку випрямляча треба враховувати характер опору навантаження, від якого багато в чому залежать розрахункові співвідношення. У реальних схемах випрямлячів опір навантаження рідко буває активним. Це пов'язано з тим, що згладжуючий фільтр, що включається між випрямлячем і споживачем, в принципі являє собою реактивний опір. Як було показано вище, найчастіше фільтр починається з конденсатора. Тому характер навантаження на випрямляч зазвичай є ємнісним.

5.6 Стабілізатори напруги

Стабілізатором напруги (струму) називається пристрій, підтримуючий автоматично і з необхідною точністю напругу (струм) на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів в обумовлених межах.

Незважаючи на застосування згладжуючих фільтрів, напруга на опорі навантаження випрямляча може змінюватися. Це пояснюється тим, що при згладжуванні пульсацій фільтром зменшується тільки змінна складова випрямленої напруги, а величина постійної складової може змінюватися і при коливанні напруги мережі, і при зміні струму навантаження. Для одержання необхідної величини постійної напруги на опорі навантаження застосовуються стабілізатори напруги. В залежності від місця їх включення в схему розрізняють стабілізатори напруги постійного і змінного струму. У першому випадку стабілізатор включають між випрямлячем і опором навантаження, у другому випадку - між джерелом змінного струму і випрямлячем.

Існують два принципово різних методи стабілізації напруги: параметричний і компенсаційний.