Как найти коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Ответ:
Если напряжение на нагрузке пульсирует,
достигая максимального значения один
раз за период, такую кривую напряжения
можно представить в виде суммы постоянной
составляющей и ряда синусоид различной
амплитуды и частоты.. Из переменных
составляю­щих выпрямленного напряжения
наибольшую амплитуду имеет составляющая
самой низкой (основной) частоты, т.
е. амплитуда первой гармоники. Можно
доказать, что для однополупериодной
схемы ампли­туда первой гармоники

Частота первой гармоники

равна частоте сети

так как кривая напряжения на нагрузке
достигает максимального значения один
раз за период.

Пульсации напряжения на нагрузке
оцениваются коэффициентом пульсаций

Для однополупериодной схемы
коэффициент пульсаций :
т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57
раза больше выпрямленного напряжения.

По вторичной обмотке проходит
постоянная составляющая тока нагрузки
.
Она подмагничивает сердечник
трансформатора. В
стали трансформатора возникают потери,
увеличивается ток холостого хода
трансформатора и снижается КПД всего
устройства.

Вопрос 10 : Двухполупериодные выпрямители.

Ответ: Двухполупериодные
схемы выпрямления бывают двух типов,
схема c
выведенной средней точкой вторичной
обмотки трансформатора и мостовая
схема.

Двухполупериодная схема с
выводом средней точки (рис. 8.2, а) состоит
из трансформатора
,
вторичная обмотка которого имеет
дополнительный вывод от средней точки,
двух диодов

и
.
Данная схема представляет
собой сочетание двух однополупериодных
схем, работающих на общую нагрузку. В
этой схеме в течение первого полупериода
(интервал 0-)
диод

будет открыт, так как
к аноду диода приложен положительный
потенциал с верхней точки вторичной
обмотки трансформатора, а катод через
нагрузку подключен к среднему выводу
вторичной обмотки, который имеет
отрицательный

рис.
8.2 а,б

потенциал. Через нагрузку

будет проходить ток

первого диода (см.
рис. 8.2). На этом же отрезке времени к
диоду

будет приложено
обратное напряжение (с другой половины
вторичной обмотки трансформатора) и он
окажется закрытым. В течение следующего
полупериода (интервал -2)
прямое напряжение окажется приложенным
ко второму дио­ду, а обратное- к первому
диоду, поэтому открытым будет диод

и по нагрузке проходит
ток.

Таким образом, ток в
нагрузке в течение всего периода
переменного напряжения протекает в
одном и том же направлении. Этот ток
вызывает на нагрузке пульсирующее
напряжение
.

Основные параметры схемы:

• Среднее значение выпрямленного
  напряжения на нагруз­ке
  
  за период будет в 2 раза больше, чем при
  однополупериодном выпрямлении

где

действующее значение напряжения на
одной из полуобмоток трансформатора.

Следовательно, в двухполупериодной
схеме макси­мальное обратное напряжение
на диоде более чем в 3 раза превышает
выпрямленное напряжение.

• Действующее значение токов, проходящих
  через первичную и вторичную обмотки
  трансформатора:

• Максимальное значение тока вентиля

• Среднее значение тока
  через диод
  равно половине тока нагрузки, так как
  в схеме поочередно проводят ток два
  вентиля:

Действующее значение тока вентиля

• Коэффициент пульсаций

Сердечник трансформатора в схеме
двухполупериодного выпрямления не
подмагничивается, Сравнивая
двухполупериодную схему выпрямле­ния
с однополупериодной, можно сделать
следующие выводы:

а)среднее значение тока
диода уменьшается в 2 раза при одном
и том же токе нагрузки;

б)меньше коэффициент пульсаций (0,67),

с)лучше используется трансформатор;

д) обратное напряжение в обоих схемах
одинаково.

Однако есть и недостатки:
необходимость вывода средней точки
вторичной обмотки трансфор­матора,
а также наличие двух диодов вместо
одного.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Как рассчитать коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Коэффициент пульсации — отношение абсолютного уровня пульсации к постоянной составляющей сигнала. Иначе говоря, коэффициент пульсации — мера пульсации в относительных единицах. Несмотря на то что, казалось бы, можно дать довольно чёткое определение данному понятию, на самом деле оно крайне неоднозначное. Причина этого в том, что существуют совершенно разные подходы к определению абсолютного уровня пульсаций.

Введение

Довольно часто, например, при измерении различных физических величин, при анализе качества электропитания устройств и при рассмотрении множества других вопросов, мы сталкиваемся с явлением пульсации — нежелательным периодическим отклонением величины (допустим, выходного напряжения блока питания) относительно среднего значения.

Мерой пульсации является уровень пульсации, который может быть выражен в абсолютных величинах (амплитуда пульсации, размах, действующее значение и т.д.). Но иногда бывает удобно рассматривать уровень пульсации не в абсолютном выражении, а в относительных единицах. Отношение величины, характеризующей уровень пульсаций к постоянной составляющей сигнала, называют коэффициентом пульсации.

Коэффициент пульсации можно использовать, например, как объективную характеристику качества выходного напряжения источника питания, которая позволяет сравнивать между собой разные устройства, без привязки к абсолютным значениям выходных напряжений. Коэффициент пульсации позволяет судить о применимости данного источника для питания той или иной нагрузки, ведь для обеспечения работоспособности потребителя, пульсация не должна превышать заданных для него допустимых пределов.

Другой простой пример, когда бывает полезным рассмотрение коэффициента пульсации — анализ выпрямителей. Так, для идеализированного выпрямителя без сглаживающего фильтра, коэффициент пульсации является параметром схемы, не зависящим ни от входного напряжения, ни от нагрузки и дающего возможность легко сопоставлять между собой разные типы выпрямителей.

Определение коэффициента пульсации

Некоторые сложности с использованием данного параметра возникают в связи с тем, что можно вводить в рассмотрение множество разных коэффициентов пульсации, в зависимости от того, какую величину выберем в качестве абсолютной меры уровня пульсаций. Поэтому важно уточнять, о каком именно коэффициенте идёт речь. Чем некоторые авторы порой пренебрегают и тогда остаётся только догадываться, что имелось в виду.

Можно выделить три основных подхода к определению коэффициента пульсации, которые чаще всего используются в литературе и отражены в нормативной документации (стандартах).

1. Коэффициент пульсации — отношение половины размаха пульсации к среднему значению величины (или, что то же самое, к постоянной составляющей величины). Под размахом пульсации понимается разность между максимальным и минимальным значением величины: $$ k=frac -U_> <2 U_0>. $$

Для практического измерения коэффициента пульсации удобно воспользоваться осциллографом и определить величины Umin, Umax. Если для оценки постоянной составляющей воспользоваться приближением (U_0 approx (U_+U_)/2,) то получаем следующую формулу, удобную для практического определения коэффициента пульсации: $$ k approx frac -U_> +U_>. $$

Существует аналогичное определение, но в нём используется не половина размаха, а полный размах пульсаций.

2. Коэффициент пульсации — отношение размаха пульсации к среднему значению величины (к постоянной составляющей величины): $$ k=frac -U_> , $$ или, в более удобной форме для вычисления по результатам измерений запишем как $$ k approx 2 ; frac -U_> +U_>. $$

Но можно использовать не только амплитудные значения величины пульсаций, а, например, действующее (среднеквадратичное) значение напряжения пульсации. Тогда получим следующее определение.

3. Коэффициент пульсации — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины: $$ k=frac > . $$

Каждое из рассмотренных определений имеет свою область применения. Выбор определяется тем, какой из коэффициентов наилучшим образом отображает реальные характеристики пульсации в данном случае.

Коэффициенты, вычисляемые по амплитуде и размаху пульсации (первое и второе определения) в целом равноценны, лишь отличаются друг от друга в 2 раза. Они характеризуют наибольшее отклонение величины от среднего значения. Хорошо подходят, например, для оценки качества выходного напряжения источников питания. Как правило, питаемое устройство предъявляет вполне определённые требования к пиковым отклонениям питающего напряжения, что позволяет на основании амплитудного коэффициента пульсации сделать вывод о применимости источника по пульсациям.

В некоторых же случаях больший интерес представляет не амплитуда, а действующее значение пульсации, которое определяет мощность пульсации на резистивной нагрузке. И тогда отдают предпочтение третьему определению.

Действующее значение величины, а значит и вычисленный по ней коэффициент пульсации оказывается малочувствителен к единичным кратковременным выбросам величины («иголкам» сигнала), которым соответствует малая переносимая в нагрузку энергия и которые вносят малый вклад в среднюю мощность, рассеиваемую на нагрузке.

Иногда эта особенность коэффициента пульсации по действующему значению оказывается полезной.

Определения понятия в соответствии с нормативной документацией

Поскольку коэффициент пульсаций — очень важный технический параметр, его не обошли вниманием в стандартах.

Посмотрим, например, что по данному вопросу можно найти в стандартах достаточно авторитетной организации IEC (Международной электротехнической комиссии). Осуществляя деятельность по разработке стандартов, IEC также проделала огромную работу с целью унификации терминологии в области электротехники, результатом чего стало создание Международного электротехнического словаря (Electropedia), доступного on-line.

Воспользовавшись поиском по словарю, обнаруживаем, что термины «пульсация», «коэффициент пульсации» используются в разных предметных областях: математика; электромагнитная совместимость; силовая электроника и др. Это ещё одна из причин многозначности термина.

Если, например, обратиться к разделу электромагнитной совместимости, то обнаружим, что там рассматриваются два вида коэффициентов пульсации:

• peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению, пиковый коэффициент пульсации) — отношение пикового значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; под пиковым значением понимается просто размах пульсации) * ;
• r.m.s.-ripple factor (коэффициент пульсации по среднеквадратичному значению, среднеквадратичный коэффициент пульсаций) — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; среднеквадратичное значение — это то, что раньше было принято называть действующим значением).

* Вариант на английском: peak-ripple factor — the ratio of the peak-to-valley value of the ripple content to the absolute value of the direct component of a pulsating quantity.
Значение термина «peak-to-valley value» также может быть найдено в Electropedia:
peak-to-valley value, peak-to-peak value — difference between the global maximum value and the global minimum value in the same specified interval of the argument.
Note 1 to entry: For a periodic quantity, the specified interval has a range equal to the period.
Note 2 to entry: The synonym «peak-to-peak value» should be used only when the global maximum and minimum values are of different signs.

В разделе «Силовая электроника» обнаруживаем термин «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока), который определяется как отношение половины разницы между максимальным и минимальным значениями пульсирующего тока к среднему значению этого тока (ratio of half the difference between the maximum and minimum value of a pulsating direct current to the mean value of this current), смотрите IEC-60050-551. Это определение похоже на рассмотренное ранее определение для peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению), но здесь для расчёта берётся не полный размах пульсации, а половина.

Наверно есть основания для введения двух однотипных определений, но избавиться от путаницы это совсем не помогает.

Найти упоминание о коэффициенте пульсации можно и в ГОСТ. Так, во многих статьях, касающихся темы пульсации, даётся ссылка на «ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения», в котором приводится сразу несколько вариантов определения:

• Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей * пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
  Примечание. Для целей стандартизации допускается относить к номинальному напряжению (току).
  * Не вполне очевидно, что понимается под «наибольшим значением переменной составляющей». Возможно, это амплитуда.
• Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
• Коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.

Первые два определения имеют свои аналоги в IEC, а последнее — уже что-то новенькое. И опять же, не обошлось без доли таинственности. Так как среднее значение переменной составляющей равно 0, можно предположить, что в определении имелось в виду нечто иное. Скорее всего, это «среднее по модулю значение переменного напряжения (тока)», которое в этом же ГОСТе определяется как «среднее за период значение модулей мгновенных значений переменного напряжения (тока)». Вероятно, в каких-то случаях использовать этот коэффициент имеет смысл.

Рассмотрев так подробно вопрос о коэффициенте пульсации с точки зрения ГОСТ 23875-88, осталось только отметить, что этот ГОСТ с 2012 года утратил силу. Так что теперь ссылка на него выглядит как не слишком убедительное обоснование для использования того или иного определения * .

* Тем не менее, например, в действующем «ГОСТ 23414-84 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения (с Изменением N 1)» имеется ссылка на утративший силу ГОСТ 23875-88. Оказывается так можно.

Однако, тут нам на помощь приходят другие ГОСТы. Так, в «ГОСТ 26567-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний» (на момент написания этой статьи имеет статус действующего), даётся наглядное объяснение «в картинках», рис. %img:h. На рисунке: 1 — огибающая мгновенных значений пульсирующего напряжения; t — время, в течение которого проводят наблюдения. Как видим, за величину пульсаций принимается половина размаха пульсаций. Также даётся расчётная формула (для вычисления коэффициента в процентах): $$ k_<пул>=frac>>cdot 100, $$ т.е. отношение половины размаха пульсации к номинальному значению величины.

Рис. %img:h

Данное определение в некоторой степени аналогично рассмотренному выше определению «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока) из IEC-60050-551.

Подобные определения можно найти и в других ГОСТах, например, в «ГОСТ Р 52907-2008 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»:
коэффициент пульсации постоянного выходного напряжения [тока] источника электропитания РЭА — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего постоянного выходного напряжения [тока] к его среднему значению в установившемся режиме работы источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Правда, данный стандарт является национальным (на что намекает символ Р в обозначении), но тем не менее.

Альтернативные определения

Справедливости ради нужно отметить, что рассмотренные выше определения коэффициента пульсации не являются единственно возможными и в литературе можно встретить другие варианты.

В принципе, под коэффициентом пульсации можно понимать отношение любой меры уровня пульсаций к среднему значению величины. Поэтому, в случае необходимости, можно вводить в рассмотрение самые экзотические варианты определения. Например, за уровень пульсаций можем принять сумму гармоник переменной составляющей с удобными нам весовыми коэффициентами.

В простейшем случае берём первую гармонику с коэффициентом 1 и получаем ещё один вариант определения, который достаточно часто можно встретить в отечественной литературе: коэффициент пульсации — отношение амплитуды первой гармоники (или низшей, или основной — в разных формулировках) к среднему значению напряжения (т.е., к постоянной составляющей).

Впрочем, известная доля популярности ещё не означает, что это определение является удачным. Во-первых, из рассмотрения исключаются все гармонические составляющие, кроме «основной», в то время как вклад «неосновных» может быть весьма значительным; в результате полученный коэффициент очень косвенно отражает реальное положение дел. Во-вторых, практическое измерение коэффициента не является простым — требуется выделение (фильтрация) одной гармоники для измерения её амплитуды.

Но если, например, имеем дело с питанием устройства, для которого нормируются вполне определённые компоненты в спектре пульсации, то описанный вариант определения вполне годится.

Источник

Показатели вторичных источников электропитания

При расчётах источников электропитания любое радиоустройство или станцию связи представляют активным эквивалентом с сопротивлением

Реальная нагрузка обычно нелинейна, поэтому часто используют дифференциальное сопротивление нагрузки:

Обычно R_н ≠ R_НД, поэтому расчёты вторичных источников электропитания справедливы только для номинального режима и это является источником погрешности в расчётах показателей выпрямительных устройств.

Коэффициент полезного действия

Основной характеристикой любого энергетического устройства является его КПД, который равен отношению активных мощностей на выходе (Рвых) и на входе (Р — мощность, потребляемая от первичной сети):

Если первичная сеть постоянного тока, то потребляемую мощность определяют P = U_ВХ×I_ВХ. Если первичная сеть переменного тока, то мощность, потребляемая от сети при гармоническом токе равна:

Справедлив треугольник мощностей (рисунок 1):

Рисунок 1 — Треугольник мощностей

Если ток потребления несинусоидальный, то активная мощность потребляется только на той частоте, которая совпадает с частотой напряжения сети. Здесь в полной мощности появляется ещё одно слагаемое — мощность искажений (Т)

но активная мощность потребляется только по первой гармонике P=U×I₁×cos φ₁, где I₁ — действующее значение первой гармоники тока и угол сдвига этой гармоники — φ₁.

Коэффициент мощности

Полная мощность (S) характеризует предельные возможности источника энергии. Под коэффициентом мощности понимается отношение

При синусоидальной форме переменного тока полная мощность равна потребляемой мощности S = P только при резистивной нагрузке. Реальные потребители электроэнергии всегда имеют реактивную составляющую сопротивления и часто обладают нелинейным характером, поэтому коэффициент мощности χ≤1. В энергетике принимают специальные меры для его повышения. Международная электротехническая комиссия (МЭК) ещё в 1992г ввела в действие стандарт IEС–555–2, согласно которому любое устройство, потребляющее от сети мощность более 300 ватт, должно иметь коэффициент мощности равный единице. Это возможно только при наличии на входе активного корректора коэффициента мощности (ККМ). В 2001 принят новый стандарт IEC–1000–3–2, в котором уровень мощности снижен до 200 ватт, поскольку растёт число потребителей именно малой мощности. Поэтому любая электротехническая продукция, выходящая на международный рынок и подключаемая к сети переменного тока, должна иметь активный характер входного сопротивления.

Коэффициент пульсаций

Форма выходного напряжения ВУ в общем случае содержит постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Она приведена на рисунке 2. Под коэффициентом пульсаций понимается отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к постоянной составляющей U₀, хотя его можно определить по любой гармонике, которая может оказаться больше первой.

Рисунок 2 — Выходное напряжение выпрямителя

Представив выпрямленное напряжение рядом Фурье — суммой постоянной составляющей U₀ и n гармоник с амплитудами U_mn, находят коэффициент пульсаций напряжения:

Постоянная составляющая U₀ — является полезным продуктом выпрямителя, а пульсации U_mn — вредной составляющей. При сложной форме пульсаций наибольшую величину может иметь не первая гармоника, а гармоника с более высоким номером, хотя обычно под k_П понимается именно первая гармоника, которая используется во всех расчётах и приводится в технической документации на оборудование.

В современных выпрямителях, использующих импульсные методы преобразования, форма пульсаций существенно отличается от синусоидальной формы (см. рисунок 2б). Потребителя обычно не интересует, какая из гармоник на выходе выпрямителя имеет максимальный размах. Его интересует общий размах пульсаций или так называемый абсолютный коэффициент пульсаций (k_абс), который может рассчитываться по разным формулам, например:

Например, если постоянное напряжение U₀ = 10 В, а напряжение пульсаций U_m1 = 1В, то:

Видно, что абсолютный коэффициент пульсаций вдвое больше по величине и объективно отражает пульсации на нагрузке, хотя во всех нормативных документах указываются именно пульсации по первой гармонике. Поэтому к коэффициенту пульсаций надо относиться очень внимательно.

Для оценки помех, проникающих в телефонные каналы связи по цепям питания необходимо учитывать не только амплитуду, но и частоту помехи. Это связано с неравномерной чувствительностью человеческого уха в звуковом диапазоне. Поэтому вводится понятие псофометрического коэффициента a_к, зависимость которого от частоты приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Псофометрический коэффициент

На частоте f = 800 Гц a_к = 1. Относительное влияние гармоник с другими частотами характеризуется величиной псофометрического коэффициента. Эффективное значение псофометрического напряжения пульсаций U_псф на выходе выпрямителя определяется выражением:

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика вторичного источника питания — это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки: U₀ = f(I₀). Вторичный источник питания обычно представляется генератором постоянного напряжения U_0xx (холостого хода) с внутренним сопротивлением R_вых. Эта схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема вторичного источника питания

По этой схеме можно определить напряжение на зажимах источника питания: . Типовая внешняя характеристика источника питания приведена на рисунке 5 и обычно имеет падающий характер.

Рисунок 5 – Типовая внешняя характеристика источника питания

Падение напряжения определяется выходным сопротивлением источника питания, поэтому по внешней характеристике можно определить его выходное сопротивление:

это сопротивление обычно нелинейное, поэтому его находят при заданном рабочем токе. У стабилизированного источника питания выходное сопротивление может быть достаточно мало, и тогда внешняя характеристика принимает вид, показанный на рисунке 6.

Рисунок 6 – Внешняя характеристика стабилизированного источника питания

Выходное сопротивление источника питания существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько блоков (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника при R_вых≠0 приводит к электрической связи между несколькими нагрузками. Эта ситуация иллюстрируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Рисунок 7 — Эквивалентная схема взаимодействия блоков через выходное сопротивление источника питания

Изменение тока одной из нагрузок I₀₁ или I₀₂ приводит к изменению U₀ и R_вых источника питания играет роль сопротивления, на котором возникает паразитная обратная связь по току. Для ее устранения на выходе источника питания следует применить конденсатор C большой ёмкости. Его значение можно рассчитать исходя из условия:

где ω_н — частота изменения тока нагрузки.

При импульсных токах нагрузки это условие надо выполнить для широкого спектра частот, но идеальных конденсаторов не существует. Реальный конденсатор можно представить эквивалентной схемой замещения, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8 — Эквивалентная схема реального конденсатора (а) и зависимость его полного сопротивления от частоты (б)

Здесь R_с — сопротивление потерь, зависящее от тангенса угла потерь используемого диэлектрика, L — индуктивность выводов и инерционность диэлектрика. Зависимость полного сопротивления Z от частоты носит резонансный характер. Частота резонанса зависит от типа, конструкции конденсатора и меняется в широких пределах от 2 ГГц для керамических smd конденсаторов до десятков килогерц для электролитических конденсаторов. Например, для конденсатора К50-33 с напряжением 63 В и ёмкостью , модуль полного сопротивления лежит в пределах в диапазоне частот .[13]. При этом значение сопротивления идеального конденсатора равно:

То есть, реальное сопротивление конденсатора на частоте 10 кГц на порядок превышает теоретическое значение сопротивления Х_с. Поэтому в схемах устройств, чувствительных к помехам параллельно электролитическому конденсатору ставят плёночный или керамический конденсатор малой ёмкости, который обладает большей полосой рабочих частот.

Масса и объём

Энергетические устройства одинакового назначения сравнивают между собой по удельным массо-объёмным показателям с размерностью: Вт/дм&sup3 и Вт/кг (иногда кг/Вт). Габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплопровода (VT), либо конструктивным объёмом, необходимым для размещения деталей V_к. Применение интегральной и гибридно-плёночной технологии изготовления диодов, транзисторов, резисторов, дросселей и других деталей, повышает их коэффициент загрузки, т.е. увеличивается плотность тока j (А/мм&sup2) и частота преобразования, что приводит к уменьшению массы и объёма конструкции V_к. С другой стороны повышение коэффициента загрузки приводит к увеличению потерь, следовательно, возрастает и требуемый «тепловой» объём (V_т). Это положение иллюстрируется графиком, приведенным на рис.7, где по оси абсцисс отложен интегральный параметр — частота f, плотность тока j, индукция В.

Рисунок 9 — Зависимость объёма вторичного источника питания от частоты, плотности тока и индукции

Можно предположить, что увеличивая частоту, можно снизить объём конструкции, однако при этом возрастает минимальный тепловой объём (мощный транзистор ставится на радиатор!). Поэтому нет смысла уходить за точку оптимума. Попадание в эту точку на этапе проектирования системы может быть только случайным, поскольку задача многопараметрическая. Любое отклонение от неё в ту или другую сторону является основанием для оптимизации режимов работы с целью повышения удельной мощности и КПД вторичного источника.

Современные выпрямители (ВБВ — импульсные) работают в районе точки оптимума и характеризуются удельной мощностью при частоте преобразования . Классические выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, имеют удельную мощность .

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Вторичные источники питания» читают:

Источник

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему
простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций
К_п   в пределах 10^-5… 10^-4
так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
К_п
является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения
к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током
вполне определённой «чистоты»:
10^-3… 10^-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,

10^-4… 10^-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10^-5… 10^-4  (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных
усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе
фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра
К_с = К_п-вх/К_п-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов.
Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что
при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным
подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении
электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИП,
приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F:

С1 = I_н/(3,14×U_н×F×К_п)
для однополупериодных выпрямителей и
С1 = I_н/(6,28×U_н×F×К_п)
— для двухполупериодных.
К_п   — это коэффициент пульсаций,
равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F   — частота переменного напряжения на входе диодного
выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ!!! Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости
получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания,
либо в высокочастотных импульсных ИП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки
X_L на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях
низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими
фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:

L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F²(Гц)×К_п)
для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F²×К_п) —
для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/R_н²(Ом).

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в.
Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше,
а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице
  ссылка на страницу:
С1 = С2 ;   С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/R_н²(Ом).

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1
неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр.
Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций
(F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится
этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак:   
С3 = 1/(39,44×L1×F²) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F²) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Выбор схемы фильтра
Тип выпрямителя
Частота напряжения с обмотки трансформатора (Гц)
Выходное постоянное напряжение Uн (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Минимальное сопротивление нагрузки Rн (Ом)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)
Индуктивность дросселя L1 (мГн)
Ёмкость конденсатора С3 (МкФ)

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более
высокий коэффициент сглаживания пульсаций.

Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное
количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного
повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации
напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а
так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.

Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают
в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.

При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
U_б = U_вх — U_{вх пульсаций} — (2,5…3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
U_кэ = U_{вх пульсаций} + (3,1…3,6В) .

Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе.
Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать
уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать
на приведённом выше калькуляторе.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора.
Чем выше h21 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет
обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h21<50. Но при этом и
составные транзисторы, обладающие высоким усилением — также не являются оптимальным выбором в силу повышенных падений напряжений
на p-n переходах, значительно снижающих КПД транзисторных устройств.

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы
транзистора (Рис.2б).

Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление
резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б)
включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.