Для питания электронных схем и приборов, рассчитанных на постоянное напряжение, от сети или генераторов переменного тока применяют AC/DC-преобразователи. Их ещё называют выпрямители или блоки питания (БП), которые классифицируются на аналоговые трансформаторные и импульсные.
В этой статье представлены свойства и описание основных узлов выпрямителей переменного напряжения, имеющих на выходе постоянный потенциал.
Применение AC/DC-преобразователей
Выпрямители аналоговые и импульсные БП имеют широкое применение:
- В быту – используются для питания электронной аппаратуры и светодиодного освещения от сети переменного тока с гальванической развязкой;
- В транспорте – от генераторов переменного напряжения для создания бортовой сети;
- В производстве – для питания от сетевых линий приборов и узлов постоянного тока.
С увеличением ассортимента бытовых и производственных приборов с низковольтным потреблением постоянного тока умножилась сфера применения AC/DC-преобразователей.
Принцип работы и классификация AC/DC-преобразователей
Независимо от того, импульсный это БП или аналоговый, с линейным стабилизатором или DC/DC-преобразователи, переменную составляющую необходимо первоначально выпрямить — сделать её постоянной. Для этого применяют выпрямители, состоящие из 1 или нескольких диодов (см. рисунок 3).
Диодный выпрямитель пропускает ток только одной полуволны, поэтому называется однополупериодным. Диодный мост, состоящий из 4 диодов — двухполупериодный. Удвоители напряжения обладают однополупериодным типом выпрямления, ёмкость конденсаторов выбирают исходя из тока нагрузки.
В умножителях напряжения с каждым полупериодом конденсаторы стремятся получить заряд, близкий к максимальному значению амплитуды на входе. Поэтому напряжение на выходе будет стремиться к значению, умноженному на число конденсаторов, соединённых последовательно и подключенных непосредственно к выходу. На рисунке 3д их 3, но подобный умножитель может содержать большее число диодов и конденсаторов с большей кратностью умножения. Их количество теориетически не ограничено, но на практике из-за потерь и утечек имеет определённый предел.
Во многих аналоговых трансформаторных преобразователях самым первым звеном конвертации служит трансформатор или автотрансформатор. Он выполняет функцию AC/AC-преобразователя без изменения частоты, но с изменением напряжения и тока. Также с помощью трансформатора возможно создание нескольких линий питания с различными параметрами выходных напряжений. В импульсных БП такую функцию выполняют импульсные трансформаторы, работающие совместно с корпусными или интегральными транзисторами, которые управляются генератором или ШИМ-контроллером.
Выпрямители напряжения
Функцией диодного выпрямителя является преобразование переменного или импульсного напряжения в постоянное. В зависимости типа входной линии и способа согласования применяют различные схемы выпрямителей (см. рисунок 3). Их свойства указаны в таблице.
Неразрывная связь входа/выхода с землёй означает то, что схема имеет общую точу переменного и постоянного напряжения, которую можно заземлить, при необходимости. При двухполярном входном напряжении, используют схемы, изображённые как на рисунке 4. Входы могут быть образованы обмотками трансформатора или автотрансформатора, также подачей 2-х фаз с полюсом нулевого потенциала. Схема из 2-х диодов выдаёт однополярное выходное постоянное напряжение, а с диодным мостом – двухполярное (см. рисунок 4).
Трёхфазное напряжение можно выпрямить с помощью диода с одной или диодов из нескольких фаз. Но в этом случае уровень пульсаций будет значительным. Поэтому, если имеется трёхфазное напряжение, то предпочтительнее использовать трёхфазный диодный мост (см. рисунок).
На выходе он даёт незначительную пульсацию, равную шестикратной частоте выпрямляемого напряжения. При частоте сети 50 Гц импульсы постоянной составляющей выпрямленного напряжения будут иметь частоту 300Гц.
Фильтры постоянного напряжения питания
Выпрямленное диодными выпрямителями напряжение считается постоянным, хотя оно может иметь временные интервалы заниженного или почти нулевого значения, а в некоторых случаях даже обратного. Самым простым сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке, такие фильтры называют ёмкостными. Это пассивные фильтры, в их состав могут входить резисторы и дроссели, такие фильтры называются резистивными и индуктивными соответственно.
Ёмкости конденсатора фильтра должно хватать для компенсации временных отсутствий тока на выходе выпрямителя. Чем меньше частота входного переменного напряжения и чем больше ток нагрузки, тем больше потребуется ёмкость конденсатора фильтра. Поэтому для фильтрации ёмкостью используют электролитические конденсаторы, которые обладают относительно высоким коэффициентом ёмкость/габариты. А для её увеличения их соединяют параллельно.
После выпрямления напряжения из переменного в постоянное и выравнивания его с помощью сглаживающих фильтров блоки AC/DC-преобразователи могут содержать линейные стабилизаторы и DC/DC-преобразователи. Их описание содержится в 1-й части предыдущей статьи «Преобразователи напряжения».
