Выпрямитель с емкостной нагрузкой

Для того, чтобы обеспечить постоянное протекание тока через нагрузку, на выходе выпрямителя используется конденсатор большой емкости. Кроме того, емкостный характер нагрузки проявляется, если выпрямитель работает на LC фильтр, начинающийся с ёмкости. В результате характеристики вторичного источника питания, в качестве которого используется выпрямитель, изменяются. Рассмотрим схему простейшего выпрямителя с емкостной нагрузкой, которая приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема простейшего выпрямителя с ёмкостной нагрузкой

При правильно рассчитанном выпрямителе конденсатор C заряжается через малое сопротивление диода и вторичной обмотки трансформатора r₂, а разряжается через достаточно большое сопротивление нагрузки R_н. Поэтому на выходе выпрямителя обеспечивается постоянный ток i_р. Временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе с емкостной нагрузкой показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе с емкостной нагрузкой

Постоянная цепи заряда τ_з = r₂C много меньше постоянной цепи разряда τ_р = R_нC, поэтому время заряда (угол 2θ) много меньше времени разряда конденсатора фильтра на нагрузку. Это называется отсечкой тока диода 2θ<π. При увеличении R_H разряд конденсатора C уменьшается и точка пересечения напряжения на вторичной обмотке U₂ и на конденсаторе U_C сдвигается, угол отсечки 2θ уменьшается. Одновременно уменьшаются пульсации напряжения на нагрузке.

При токе нагрузки равном нулю конденсатор не разряжается и U_C = U_m2. Обратное напряжение, приложенное к выпрямительному диоду при этом тоже достигает максимальной величины U_обр = 2U_m2. Из-за описанных явлений внешняя характеристика выпрямителя с емкостной нагрузкой нелинейна и выходное сопротивление зависит от тока нагрузка. Его можно определить только в рабочей точке по приращениям напряжения и тока, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостной нагрузкой

Схема однотактого однофазного выпрямителя создает высокий уровень пульсаций напряжения на нагрузке. При этом частота основной гармонической составляющей пульсации совпадает с частотой сети переменного тока. Трансформатор в данной схеме плохо используется. По нему протекает постоянная составляющая тока нагрузки, поэтому приходится увеличивать габариты трансформаторы. Однако простота однотактных схем делает их более привлекательными перед двухтактными для реализации вторичного источника питания с высоким напряжением и малым током. В качестве примера рассмотрим схему удвоения напряжения вторичной обмотки. Она состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну переменного тока сети. Принципиальная схема описанного устройства приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема удвоения напряжения

Временные диаграммы тока и напряжения на элементах схемы показаны на рисунке 5

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов удвоителя напряжения

Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах C₁ и C₂. Если ток потребления мал, а значит малы и пульсации, то постоянную составляющую на выходе схемы можно определить следующим образом:

При сложении компенсируются все нечётные гармоники пульсаций, в том числе и основная частота переменного тока (р=2). Недостатком схемы является отсутствие общей точки между трансформатором и нагрузкой, что неудобно с точки зрения электробезопасности. Ещё одна схема удвоения напряжения приведена на рисунке 6. Она называется несимметричной, так как в ней большинство элементов подключено к корпусу, который может быть заземлен.

Рисунок 6. Несимметричная схема удвоения напряжения

В этой схеме в первый полупериод входного колебания заряжается конденсатор C₁ через диод VD1. В течение второго полупериода сумма напряжения конденсатора и вторичной обмотки заряжают конденсатор C₂. Здесь частота первой гармоники пульсаций равна частоте сети переменного тока. При этом получилась регулярная структура, которую можно соединять последовательно друг за другом. В качестве примера на рисунке 7 приведена схема умножителя напряжения, напряжение на выходе которого в шесть раз больше напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Рисунок 7. Несимметричная схема удвоения напряжения (а) и умножитель напряжения на шесть (б)

В умножителе напряжения нагрузку можно подключить и к верхней группе конденсаторов – получим умножитель на пять. Умножители выпускают в виде неразборного блока. Число конденсаторов равно коэффициенту умножения. Выходное сопротивление исчисляется килоомами.

Дата последнего обновления файла 25.03.2015

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.