Следовательно, напряжение на конденсаторе будет меняться линейно, если ток заряда будет постоянным

du_C/dt = i_C/C = const.

Для получения постоянного тока заряда используют генератор тока вместо резистора R₂.

В схеме (рис) вместо зарядного резистора R₂ (предыдущей схемы) использован генератор тока на транзисторе VT₁.Конденсатор С₂ заряжается стабильным током от этого генератора тока. Поэтому напряжение на конденсаторе растет по линейному закону (Рис.).

Современная электроника характеризуется широким применением интегральных микросхем. На рис. Представлена схема ГЛИН на базе операционного усилителя.

Источники питания.

Назначение и классификация выпрямителей.

Выпрямителями называются устройства, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Выпрямители являются основными источниками постоянного тока для питания устройств электроники.

Структурная схема выпрямителя

Трансформатор (Тр) служит для преобразования входного напряжения, а также для электрической развязки цепей выпрямителя и нагрузки от сети. Вентильная группа (ВГ) обеспечивает преобразование переменного напряжения в пульсирующее. Сглаживающий фильтр (СФ) служит для сглаживания пульсаций. Стабилизатор напряжения (СН) поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменении значений выпрямленного напряжения и тока в нагрузке.

Выпрямители классифицируются по ряду признаков.

В соответствии с возможностью регулирования выходного напряжения различают неуправляемые и управляемые выпрямители.

В зависимости от числа фаз сети переменного тока различают однофазные и трёхфазные выпрямители. Однофазные выпрямители обычно бывают маломощные (до 100 Вт) и средней мощности (до 1000 вт). Выпрямители большой мощности (более 1000 Вт), как правило выполняют трёхфазными.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют на однополупериодные и двухполупериодные.

По напряжению на выходе выпрямители подразделяются на низковольтные (до 100 В), среднего (до 1000 В) и высокого (более 1000 В) напряжения.

Основные параметры выпрямителей.

Основными параметрами выпрямителя являются:

I_н.ср. – среднее значение выпрямленного тока;

U_н.ср. – среднее значение выпрямленного напряжения;

P_н.ср. = U _н.ср.*J _н.ср. – мощность нагрузки;

U_осн.т. – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

K_п = U_осн.т./U_н.ср. – коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения;

I₁, I₂, U₁, U₂ - действующие значения токов и напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

S_тр.= 0,5 (S₁+S₂), где S₁=U₁*I₁; S₂=U₂*T₂ – типовая мощность трансформатора;

h = P _н.ср. / (P _н.ср.+ P_тр.+ P_д), где P_тр. – потери в трансформаторе, P_д – потери в диодах – коэффициент полезного действия.

Однофазные выпрямители.

Однополупериодный выпрямитель.

K_п=1.57, это получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения

Принимая во внимание, что K_п есть отношение 1-й гармоники, частота которой w, к U_н.ср. получим

Для того, чтобы выпрямитель имел высокий КПД, падение напряжения на диоде при прямом токе должно быть минимальным.

Недостатки: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения, малый КПД.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

I_н.ср.= U _н.ср./R _н.= 0,9 U₂/R _н.

, то

,

Преимущества данного выпрямителя перед однополупериодным: средние значения выпрямлённых тока и напряжения I н.ср. и U н.ср. в 2 раза больше, а пульсации меньше.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки.

U_ab = 2U

U_обр.max = U_н.ср.= 3,14U_н.ср.

K_п = 0,67

Все остальные соотношения для токов и напряжений определяются по формулам, полученным для мостового выпрямителя Uн, Iн.

Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным, что и мостовой выпрямитель, за исключением U_обр._max, которое определяется напряжением U_ab = 2U. Масса и стоимость трансформатора значительно больше, чем в мостовом выпрямителе, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее число витков. Поэтому мостовой выпрямитель находит большее применение среди однофазных выпрямителей. Однофазные двухполупериодные выпрямители применяют для питания устройств малой и средней мощности.

Трёхфазные выпрямители.

Используются для питания устройств средней и большой мощности.

Трёхфазный выпрямитель с нулевой точкой

Схема содержит трансформатор, обмотки которой соединены в “звезду“ и три диода.

Где U_фт – амплитуда фазного напряжения.

Спектральный состав выпрямленного напряжения:

U_2фт cos3

Выпрямленное напряжение содержит помимо постоянной составляющей лишь гармоники, кратные трём: третью, шестую и т.д., т.е. основной гармоникой выходного напряжения является третья гармоника. Поэтому частота выходного напряжения в 3 раза превышает частоту входного напряжения.

К_п = 0,25.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

(схема Ларионова)

В схеме Ларионова имеется возможность использовать обе полуволны питающего трёхфазного напряжения для обеспечения тока в нагрузке. Поэтому выпрямлённое напряжение отличается более высоким качеством, а продолжительность проводящих интервалов для последовательно – соединённых диодных пар (V D1 и V D5; V D2 и V D6; V D3 и V D4 и др.) составляет время Т/6.

Где U_2л– линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора,

U_2ф – фазное напряжение на вторичной обмотке.

К_п = 0,057

Малый коэффициент пульсаций позволяет использовать схему Ларионова в некоторых случаях без сглаживающих фильтров.

CГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

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

Выпрямленное напряжение после выпрямителя всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной составляющей переменную. В большинстве случаев для питания электронных устройств такое напряжение неприемлемо. Для уменьшения пульсаций на выходы выпрямителей включают сглаживающие фильтры.

К фильтрам предъявляют следующие требования:

1) фильтр должен максимально уменьшать переменную составляющую выходного напряжения, при этом не уменьшая существенно постоянную составляющую;

2) привключениии выключении напряжения сети или нагрузки величины бросков напряжения и тока должны находиться в допустимых пределах;

3) собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра.

Основным параметром фильтра является коэффициент сглаживания – k_сг=k_{п. вх.} / k_{п. вых.},

где k_{п. вх.} и k_{п. вых} – коэффициенты пульсаций напряжения соответственно на входе и выходе фильтра.

Существуют следующие типы фильтров: емкостной, индуктивный, Г-образный, П-образный, активный.

Емкостной фильтр

Должно выполняться условие:

Xc=1/ωС << R_н

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

Конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в те моменты времени, когда напряжение на входе превышает напряжение на С. В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку. Значение емкости выбирают таким образом, чтобы за период колебаний напряжения на входе фильтра напряжение на конденсаторе существенно не изменилось.

Индуктивный фильтр

Должно выполняться условие:

X_L=ωL >> R_н

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения. В этом случае основное падение напряжения происходит не на сопротивлении нагрузки, а на индуктивности фильтра.

Индуктивные фильтры обеспечивают лучшее сглаживание при больших токах нагрузки. Поэтому их применяют в мощных выпрямителях.

Г-образный фильтр

Г-образный фильтр представляет собой сочетание двух простейших фильтров: индуктивного и емкостного. При выполнении условия

X_C << R_н << X_L

Такие фильтры обеспечивают значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций.

K_сгл.= U_~вх / U_~вых= I_~|Z_вх| / I_~|Z_вых|,

где Z_вх = j(X_L – X_C), Z_вых = jX_C, то

K_сгл = X_L / X_C – 1

Если X_L=ωL, а Xc=1/ωС, то

K_сгл =ω²LC – 1

или

LC = (K_сгл + 1) / ω²

Зная частоту основной гармоники выпрямленного напряжения, по заданному коэффициенту сглаживания можно найти значения L и С, точнее их произведение.

Выбор конкретных значений индуктивности и емкости представляет в данном случае техническую задачу. Ее решают с учетом дополнительных условий, к которым относятся габариты, масса и стоимость фильтра.

П-образный фильтр

Более эффективными являются П-образные фильтры, представляющие собой сочетание простейшего емкостного и Г-образного звена.

Для получения большего коэффициента сглаживания пульсаций необходимо увеличивать L и C, что приводит к большим габаритам и массам дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты обеспечивают сложные многозвенные фильтры, состоящие из нескольких последовательно соединенных Г-образных звеньев.

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным напряжением предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению всех коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

K_сг = K_сг1 K_сг2… K_сгn.

Среди перечисленных требований, предъявляемых к сглаживающим фильтрам, отмечалась необходимость ограничения собственной резонансной частоты фильтра ω₀ условием

ω₀ = 1 / √LC ≤ ω/2,

откуда

LC ≥ 4/ω².

Из сопоставления формул условие отсутствия резонансных явлений в фильтре получим в виде

K_сг ≥ 3.

Умножители напряжения

Умножители напряжения – это устройства, позволяющие получить на выходе напряжение, в любое число раз больше напряжения на его входе. Эти устройства позволяют заменять высоковольтные трансформаторы, что дает заметный выигрыш в габаритах, массе и стоимости.

Параллельный удвоитель напряжения представляет собой два однополупериодных выпрямителя, подключенных к одной вторичной оболочке трансформатора. В один из полупериодов входного напряжения когда точка А имеет положительный потенциал, а точка В - отрицательный, диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. В этот момент конденсатор C1, через открытый диод VD1 заряжается до амплитудного значения напряжения U_2m. В следующий полупериод входного напряжения, когда в точке А положительный потенциал, а в точке В отрицательный, VD1 будет закрыт, VD2 – открыт. Теперь заряжается конденсатор C2 до амплитудного значения напряжения. Конденсатор C1 и С2 по отношению к выходным зажимам включены последовательно. Полярность напряжения на конденсаторах такова, что выходные напряжения устройства практически равно удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора, если постоянная времени разрядки (где С1=С2=С). В противном случае конденсаторы будут разряжаться в следующие за их зарядной полупериоды и выходное напряжение будет меньше 2U_2m.

Последовательный удвоитель напряжения.

Когда потенциал в точке В положительный, а в точке А отрицательный, диод VD1 открыт, а VD2 закрыт. В этот момент С1 заряжается через диод VD1 до амплитудного значения напряжения U_2m. В следующий полупериод диод VD1 закрыт, а VD2 открыт. Конденсатор С2 при этом начинает заряжаться через диод VD2 до напряжения равного сумме напряжений вторичной обмотки трансформатора U_2m и напряжения ранее заряженного конденсатора С1. Следовательно, напряжение на резисторе R_н будет равно удвоенному значению напряжения U_2m.

Последовательный удвоитель напряжения имеет ряд преимуществ по сравнению с параллельным удвоителем: пульсации выходного напряжения меньше, а стабильность работы выше. На основе рассмотренных удвоителей напряжения можно построить утроитель напряжения.

Кроме того, из нескольких последовательных удвоителей не трудно собрать учетверители напряжения.

С помощью умножителей напряжения, можно получить на выходе напряжение в несколько десятков киловольт, используя при этом малогабаритные и недорогие конденсаторы и диоды.

Общими недостатками всех умножителей напряжения является их небольшая мощность и низкий КПД.