Исследование вторичного источника электропитания с трансформатором и линейным стабилизатором напряжения

 

Цель работы: Ознакомиться с особенностями работы выпрямителя, работающего на активную нагрузку. Исследовать влияние сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения на форму выпрямленного напряжения.

Продолжительность работы – 4 часа.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

В качестве источников вторичного питания электронных устройств используют следующие схемы:

I при питании от сети переменного напряжения

а) классическую трансформаторную схему;

б) модули питания АС/ДС, использующие принцип высокочастотного выпрямления.

II при питании от сети постоянного напряжения

а) модули питания ДС/ДС, использующие принцип высокочастотного преобразования и последующего выпрямления;

б) интегральные линейные стабилизаторы;

в) микросхемы – преобразователи напряжения.

 

Классическая схема (см. рисунок 1) включает понижающий трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилитрон СН.

 

 

Рисунок 1

 

Трансформатор Т преобразует напряжение сети U1 в напряжение U2, необходимое для получения заданного выпрямленного напряжения Ud, а также осуществляет гальваническую развязку цепи постоянного тока и питающей сети.

Выпрямитель В преобразует переменный ток в пульсирующий ток одного направления.

Сглаживающий фильтр Ф служит для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Стабилизатор СН поддерживает неизменённым выпрямленное напряжение Ud.

К выходу источника питания подключают нагрузку Н

Выпрямитель

В лабораторной работе выпрямитель (В) питает чисто активную (резистивную) нагрузку. В общем случае работа выпрямителя существенным образом зависит от характера нагрузки.

При расчёте источника питания используют следующие параметры:

Ud – среднее значение выпрямленного напряжения,

Id – среднее значение выпрямленного тока,

U1 – действующие значение напряжения питающей сети,

U2 – действующие значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.

 

Рассмотрим соотношения между параметрами выпрямленного тока и переменного тока.

Рисунок 2 - Схема однополупериодного выпрямителя с трансформатором

 

 

Рисунок 3 - Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя с трансформатором

 

 

Постоянная составляющая тока:

 

 

 

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

 

 

,

где n – коэффициент трансформации.

 

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

 

 

 

В отрицательный полупериод к замкнутому диоду VD приложено обратное напряжение:

Для работы диода в безопасной области необходимо, чтобы:

 

с запасом 30 %

с запасом 30 %

 

 

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

1) Форма тока в нагрузке имеет большие пульсации.

2) Форма потребляемого из сети тока отличается от синусоиды, что искажает форму напряжения сети.

3) Имеют ограниченное применение при небольших мощностях (до нескольких десятков Вт)

 

При больших мощностях применяют двухполупериодные выпрямители, в которых ток в нагрузку поступает в течение обоих полупериодов входного синусоидального напряжения (Рисунок 4).

 

 

 

Рисунок 4 - Двухполупериодные выпрямители:

а) со средней точкой

б) однофазный мостовой

 

Проанализируем работу наиболее применяемого однофазного мостового выпрямителя. К диагонали АВ моста подводится синусоидальное напряжение U2. Диагональ СD подключена к нагрузке R. В каждый момент времени ток проводит пара диодов VD1,VD4 – в течении положительный, и VD2,VD3 – в течение отрицательных полупериодов питающего напряжения.. Временные диаграммы в двухполупериодном выпрямителе представлены на рисунке 5.

 

Рисунок 5 - Временные диаграммы в двухполупериодном выпрямителе

 

 

Среднее значение выпрямленного напряжения:

 

Среднее значение тока плеча (диода):

 

 

Обратное напряжение, прикладываемое к каждому из диодов в непроводящем направлении, равно максимальному значению входного напряжения:

 

Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Простейшим фильтром служит конденсатор С₀, включённый на выходе выпрямителя параллельно нагрузке R_Н, как показано на рисунке 6А, который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдаёт её, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рисунке 6Б показана форма напряжения U_C на конденсаторе C₀ (а значит, и на параллельно включённой нагрузке R_Н) при двухполупериодном выпрямителе.

Рисунок 6

 

Для более эффективного снижения пульсаций применяют П-образный LC-фильтр, показанный на рисунке 7. П-образный фильтр состоит из двух конденсаторов С₀, С_ф и катушки индуктивности L_ф, называемой дросселем.

Рисунок 7.

 

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф:

 

,

 

где ω – круговая частота переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф должно быть значительно больше R_H для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной ω и выше, «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X_L , не достигая нагрузки.

Емкостное сопротивление конденсаторов X_C = 1/ (ω С_Ф) должно быть значительно меньше, чем R_H, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х_С , минуя R_H. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, Х_С = ∞, не создает падения напряжения на L_ф и не замыкается через С_Ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтра является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении.

Основным параметром любого сглаживающего фильтра является коэффициент пульсаций, который показывает во сколько раз пульсации до фильтра больше чем после фильтра.