Схемы с умножением напряжения

Выпрямители с емкостным фильтром позволяют реализовать схемы с умножением напряжения, в результате чего можно получать удвоенное, утроенное и т.д. напряжение по сравнению с напряжением однополупериодного выпрямителя.

Принцип работы схем с умножением напряжения основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий диод. По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно, и их напряжения суммируются. Схемы умножения можно использовать и с прямым включением в сеть переменного тока. Различают симметричные и несимметричные схемы умножения напряжения.

Симметричная схема удвоения напряжения (рис. 4.4, а) состоит из двух однополупериодных выпрямителей. Конденсатор С1 заряжается через диод VD1 во время первой полуволны ЭДС е₂, а конденсатор С2 - через диод VD2 во время второй полуволны ЭДС е₂. При равенстве емкостей конденсаторов С1 и С2 напряжение на нагрузке при холостом ходе равно удвоенному значению напряжения на конденсаторе. В реальных условиях (под нагрузкой) в связи с тем, что заряд одного конденсатора сопровождается одновременным разрядом другого через сопротивление нагрузки, это напряжение становится меньше.

Пульсации выпрямленного напряжения (рис. 4.4, б) имеют удвоенную частоту по отношению к частоте питающего напряжения. При холостом ходе среднее значение выпрямленного напряжения

. (4.9)

Рассчитывать такой выпрямитель можно по упрощенной методике, рассмотренной выше. В этом случае расчетное напряжение необходимо брать вдвое меньше напряжения на нагрузке, величины функций B(q), D(q), F(q) определять при m _п=1, а величину функции H(q) - при m _п =2.

Рис. 4.4. Симметричная схема удвоения напряжения (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

Максимальное значение обратного напряжения на диоде в симметричной схеме удвоения напряжения равно среднему значению выпрямленного напряжения.

В несимметричной схеме удвоения (рис. 4.5, а) два однополупериодных выпрямителя питаются от разных по величине напряжений.

В первый полупериод заряжается конденсатор С1 через диод VD1 под действием ЭДС е₂, во второй полупериод – конденсатор С2 через диод VD2 под действием суммы ЭДС е₂ и u _C1, совпадающий по направлению. В результате напряжение на конденсаторе С2 при холостом ходе оказывается в два раза выше, чем на конденсаторе С1. Обратные напряжения на диодах при холостом ходе достигают удвоенной амплитуды ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте напряжения в питающей сети. Так как один из выводов обмотки трансформатора соединен с отрицательным полюсом нагрузки, то его можно заземлить, что является положительным свойством схемы.

Дальнейшим развитием несимметричной схемы удвоения напряжения является схема умножения напряжения (рис. 4.5, б), в которой добавлены цепочки из диодов и конденсаторов VD3-C3, VD4-C4 и т.д. Здесь на конденсаторе С1 при холостом ходе напряжение равно Е _2m, а на всех последующих конденсаторах 2 Е _2m. Данная схема умножает напряжение источника в несколько раз.

Рис. 4.5. Несимметричные схемы умножения напряжения:

а - удвоитель напряжения; б - умножитель напряжения

4.5. Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостным фильтром

Главным недостатком выпрямителя с ёмкостным фильтром является сильная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Внешняя характеристика выпрямителя определяется уравнениями

; ,

или в относительных единицах

. (4.10)

Выражение (4.10) представляет собой обобщенную внешнюю характеристику выпрямителя, изображенную графически на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостным фильтром в относительных единицах

Как следует из рис. 4.6, внешняя характеристика выпрямителя круто падающая, поэтому не рекомендуется использовать такой выпрямитель для питания потребителей с переменной нагрузкой, так как напряжение на выходе выпрямителя будет изменяться по величине. Однако этот недостаток можно устранить, применив стабилизатор напряжения в нагрузке. Полупроводниковый прибор, позволяющий построить схему стабилизатора напряжения, будет рассмотрен в следующей лекции.

Контрольные вопросы

1. Как определяется величина пульсаций выпрямленного напряжения?

2. Какие элементы применяют для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения? Как определяется коэффициент сглаживания фильтра?

3. В чём преимущество ёмкостного сглаживающего фильтра?

4. Нарисуйте схему мостового однофазного выпрямителя с активно-ёмкостной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

Лекция 5. Полупроводниковые стабилитроны. Параметры, классификация, анализ работы схемы параметрического стабилизатора напряжения