Выпрямители

Общие определения

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

 

 

Выделяют источники электропитания, подключаемые к сетевому напряжению 50-60 Гц (также другие частоты) и к постоянному напряжению, например, аккумуляторным батареям, генераторам постоянного тока и т.д. Если источник электропитания преобразует переменный ток в постоянный (или наоборот), то его называют инвертором. В случае, когда род тока остается без изменения, например, постоянный ток преобразуется в постоянный, то называют конвертором. В литературе часто встречаются названия AC/DC (alternating current/ direct current) (переменный ток/ постоянный ток) или DC/DC. В первом случае AC/DC преобразует переменный ток в постоянный (инвертор), во втором случае постоянный в постоянный (конвертор). Как правило, преобразователи дополняются стабилизаторами (напряжения, тока, мощности).

По выходной мощности источники питания принято делить на микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 1кВт) и мощные (> 1кВт).

Для полупроводниковых источников электропитания наработка на отказ должна быть не менее 10 тысяч часов.

Напряжения в цепях источников должны иметь стандартные величины. Для постоянного тока это 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; (6,3); 9,0; (10,0); 12,0; (12,6); 15,0; 20,0; 24,0; 27,0; 30,0; 40,0; 48,0; 60,0; 80,0; 100,0; (125); 150,0; 200,0; 250,0; 300,0; 400,0; (450,0); 600,0; 800,0; 1000,0; 1250,0; 1500,0; 2000,0; 3000,0; 4000,0; 5000,0; 6000,0; 10000,0; 12000,0; 15000,0; 20000,0; 25000,0 и др. Для переменного тока номинальные значения напряжения в вольтах действующих значений выбираются из ряда: 1,2; 2,4; 3,45; 5,0; 7,0; (6,3); 12,0; (12,6); 15,0; 24,0; 27,0; 36,0; 40,0; 60,0; 80,0; 110,0; (115,0); 127,0; 200,0; 220,0; 380,0 и т.д.

С 2007 г. в Европе принят «Кодекс о поведении в отношении внешних источников питания». Он стимулирует производителей придерживаться уровней энергопотребления и КПД под нагрузкой в соответствии с таблицами 7.1 и 7.2

 

Таблица 7.1 – Потребление без нагрузки

 

Номинальная выходная мощность, Вт	Потребление без нагрузки, Вт (с 1 января 2007г.)
Более 0,3 и менее 15	0,3
Более 15 и менее 50	0,3
Более 50 и менее 60	0,3
Более 60 и менее 150	0,5

 

Таблица 7.2 – Ограничения на КПД после 1 января 2007г.

 

Номинальная выходная мощность , Вт	КПД при 100%-ной нагрузке, или усредненный по 4 точкам
Более 0 и менее 1	Более 0,49
Более 1 и менее 49	Более 0,09 +0,49
Более 49 и менее 150	Более 0,85

 

Анализ таблиц показывает, что перспективны только высокочастотные импульсные AC/DC и DC/DC преобразователи и стабилизаторы, т.к. непрерывные (аналоговые) не удовлетворяют ни по холостому ходу, ни по нагрузке.

 

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Наиболее часто для выпрямления используются диоды (диодные ключи). Для частот 50…60 Гц пригодны низкочастотные диоды, но для более высоких частот необходимы диоды типа HEXFRED, ультрабыстрые, выпускаемые фирмой International Rectifier, время восстановления которых 40-60 нс. Объяснение состоит в том, что низкочастотные диоды имеют большое время восстановления и на высоких частотах теряют выпрямительные свойства.

Кроме того, диодные ключи должны иметь минимальное сопротивление в прямом направлении и наименьший ток утечки в обратном направлении, паразитные индуктивности и емкости должны стремиться к нулю.

На рисунках 7.1 а), б), в) изображены типовые схемы включения диодов в выпрямительные схемы.

Рисунок 7.1 – Схемы включения диодов в выпрямительные схемы

 

Все схемы изображены с трансформаторами, однако это устаревшие решения, т.к. трансформаторы снижают КПД. Поэтому в настоящее время предпочтительны такие же схемы выпрямителей, подключаемые к сети, но без трансформаторов. Схема рисунка 7.1,б) не имеет смысла в связи с наличием средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком варианта рисунка 7.1, а) является однополупериодное выпрямление, т.е. от сети потребляется только один полупериод, нарушается симметрия сетевого напряжения, ухудшаются энергетические показатели. Недостаток схемы рисунка 7.1, в) в 4-х диодах, но с этим приходится соглашаться, большинство выпрямителей от однофазной сети построены по этой схеме. В случае трехфазной сети применяют варианты, изображенные на рисунке 7.2, причем для включения без трансформатора, снижающего КПД, пригодна только схема рисунка 7.2, б).

Рисунок 7.2 – Трехфазные схемы диодного выпрямления:

а) – однополупериодная трехфазная; б) – двухполупериодная трехфазная

 

Известны диодные схемы выпрямителей с умножением напряжения, одна из которых изображена на рисунке 7.3

Рисунок 7.3 – Схема выпрямления и умножения напряжения на четыре

 

Желательно, чтобы отсутствовал трансформатор Тр, снижающий КПД и увеличивающий массогабаритные показатели при сетевом напряжении.

Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы С3 и С4 до напряжения . Таким образом, полный заряд конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор С1 заряжается до напряжения , а остальные – до . Обратное напряжение на всех диодах равно . Достоинство схемы – несложность, однако выходная мощность невелика. Количество треугольных звеньев, а также коэффициент умножения могут быть увеличены.