2.1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА

1. Для выбора типа диодов, определяют обратное напряжение на вентиле

U_обр =1,5·U_о = 1,5 · 1,2 · 4 = 7,2 В,

где U_о = 1,2 · U_но – напряжение на входе сглаживающего фильтра должно быть больше напряжения на нагрузке, т.к. учитывает потери напряжения на фильтре. 

Средний ток через вентиль

I_{а ср} = 0,5·I_о = 0,5 · 2 = 1 А.

Выбираем диоды КД130АС с I_ср = 3 А; U_обр.М = 50 В

Выбор диода производится по этим двум параметрам I_а.ср и U_обр. Из справочника выписывают максимальное обратное напряжение, средний ток и внутреннее сопротивление вентиля R_i. Если величины R_i в справочнике нет, то его легко рассчитать. При падении напряжения на кремниевом диоде U_Д = 0,7 В величина R_i = U_Д / I_{а ср} = 0,7 / 1 = 0,7 Ом.

2. Расчет трансформатора при U_о = 1,2 · U_но = 1,2 · 4 = 4,8 В:

1. Определяют сопротивление трансформатора

1132 Ом.

2.Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

 11,5 В.

3.Токи обмоток

2,9 A, 

 0,18 A.

3.Вычисляется габаритная мощность трансформатора, которая для двухполупериодной схемы определяется выражением

57 В∙А.

4.Далее находится произведение площади сечения сердечника трансформатора Qc на площадь окна сердечника Q₀, которое в зависимости от марки провода обмотки равно, см⁴: 

Q_С Q₀ = 1,6·Pг для провода марки ПЭЛ;

Q_С Q₀ = 2,0·Pг для провода марки ПЭШО;

Q_С Q₀ = 2,4·Pг для провода марки ПШД.

Таблица 3.1

Табл 3.2 Параметры диодов

0,02

15

50

ГД402Б

0,03

15

50

Д104

0,03

100

150

КД401Б

0,03

75

150

Д206

0,1

100

1

Д207

0,1

200

1

Д208

0,1

300

1

КД102Б

0,1

300

4

КД103А

0,1

50

20

2Д237В

0,3

100

300

Д7Ж

0,3

400

2,4

КД105Г

0,3

800

4

КД106А

0,3

100

30

Д202

0,4

100

1,2

Д203

0,4

200

1,2

Д204

0,4

300

1,2

Д205

0,4

400

1,2

Д302

1

200

5

КД226Д

2

600

50

Д303

3

150

5

КД130АС

3

50

200

КД248В

3

800

100

Д245Б

5

300

1,1

Д304

5

100

5

КД202Ж

5

140

1,2

2Д231Б

10

200

200

В10

10

100…1000

1

Д214А

10

100

1,1

Д215А

10

200

1,1

Д245

10

300

1,1

Д305

10

50

5

КД203А

10

420

1

КД213В

10

200

100

2Д239А

20

100

500

КД2999А

20

250

100

В25

25

100…1000

1

2Д252Б

30

80

200

КД2997Б

30

200

100

В50

50

100…1000

1

В100

100

100…1000

1

Для провода ПЭЛ 

Q_С Q₀ = 1,6 · Pг = 1,6 · 57 = 91 см⁴.

Из таблицы 3.1, в которой приведены основные данные типовых Ш-образных пластин, по значению Q_С Q₀ выбирают тип пластины и выписывают все ее параметры. 

Выбираем пластины УШ-30 с а = 3 см; b = 1,9 см; h = 5,3 см; Q₀ = b h = 10,1 см².

При этом получают

Q_С = (Q_С Q₀) / Q₀ = 91 / 10,1 = 9 см².

Необходимая толщина пакета пластин c = Q_С / a = 9 / 3 = 3 см.

Отношение с/а рекомендуется брать в пределах 1…2. Если оно выйдет за эти пределы, то необходимо выбрать другой тип пластин.

5.Определяют число витков w и толщину провода d первичной и вторичной обмоток трансформатора при плотности тока в обмотках j = 3 А/мм²:

d = 1,13 (I/j)^1/2 = 1,13(I/3)^1/2 = 0,65·I^1/2,

w₁ = 48 U₁/ Q_С = 48 · 220 / 9 = 1173 вит.

d₁ =0,65·I₁^1/2 = 0,65 · 0,18^½ = 0,28 мм,

w₂ = 54 U₂/ Q_С = 54 · 11,5 / 9 = 69 вит. ,

d₂ =0,65·I₂^1/2 = 0,65· 2,9^1/2 = 1,1 мм.

С). Расчет фильтра.

1.Емкость конденсатор на входе фильтра 

С_о =30·I_о / U_o = 30 · 2· 4,8 = 288 мкФ.

Выбирают электролитические конденсаторы по величине емкости и номинальному напряжению, причем U_с ≥ 1,2 U_o B.

2.Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра

К_п.вх =300·I_о / (U_o· C_o) = 300 · 2/(4,8 · 288) = 0,43 %.

3.Необходимый коэффициент сглаживания фильтра

q = К_п.вх / К_п.вых = 0,43 / 2 = 0,215.

В данной схеме выбран двухзвенный LC-фильтр. Коэффициент сглаживания одного звена 

q_зв =(q)^1/2 = 0,215^1/2 = 0,46.

4.Определяют произведение L_фC_ф по формуле 

L_ф С_ф=2,5(q_зв +1) = 2,5(0,45+1) = 3,63 Гн∙мкФ.

Задаются емкостью С_ф так, чтобы индуктивность дросселя фильтра не превышала 5 – 10 Гн и определяют индуктивность дросселя. Принимаем L_ф = 7 Гн.

С_ф = 3,63 / 7 = 0,5 мкФ.

5.Находят сечение сердечника Q_С, число витков w и диаметр провода d обмотки дросселя:

Q_с = L_ф I_o²/2 = 7· 2² / 2 = 14 см²;

w = 4·10²/ I_o =4·10²/ 2 = 200 витков;

d = 0,65·I_о^1/2 = 0,65·2^1/2 = 0,92 мм.

Сечение обмотки

Q_w =w·d²/1000 = 200 · 0,92²/100 = 1,92 см².

Q_С Q_W = 14·1,92 = 27 см⁴.

6.По произведению Q_С Q_W из таблицы 3.1 выбирают тип сердечника и выписывают все параметры. С учетом объема, занимаемого стенками каркаса и изоляционными прокладками, сечение окна должно быть несколько больше сечения обмотки.

Выбираем пластины Ш-19 с а = 1,9 см; b = 1,2 см; h = 3,35 см; Q₀ = b h = 4,02 см².

D). Проверяют значение выпрямленного напряжения на нагрузке, для чего определяют среднюю длину витка обмотки l_w и сопротивление провода обмотки R_w:

l_w =π·(a + b) = π·(1,9 + 1,2) = 9,73 см;

R_w =2·w·l_w/(10⁴ d²) = 2·200·9,73 / (10⁴ ·0,92²) = 0,46 Ом.

При этом падение напряжение на двухзвенном фильтре

U_ф =R_w · I₀ = 0,46 · 2 = 0,92 B.

Напряжение на нагрузке

U_но = U_o – U_ф = 4,8 – 0,92 = 3,88 B.

Если напряжение на нагрузке получается меньше заданного, то необходимо провести корректировочный расчет. Простейшим является увеличение, до необходимого значения, диаметра провода обмотки дросселя. Увеличение диаметра провода приведет к уменьшению сопротивления обмотки R_w, что в свою очередь вызовет уменьшение падения напряжения на фильтре U_ф. При этом необходимо проверить, может ли новый провод разместиться в окне выбранного сердечника дросселя фильтра.

Проектирование выпрямительной схемы

В схемах питания электронной аппаратуры в основном применяются схемы выпрямителей, показанные на рисунках 4.1 — 4.5

Цель расчета выпрямителя: определить токи и напряжения обмоток транс­форматора, его мощность, выбрать диоды и найти емкость конденсаторов фильтра. Надо отметить, что в большинстве случаев применяют прос­тейшие фильтры в виде конденсатора большой емкости.

Исходными данными для расчета являются:

схема выпрямителя;

U_О – постоянное напряжение на выходе выпрямителя;

I_О – ток на выходе выпрямителя;

U_С – сетевое напряжение;

f_С – частота питающей сети;

K_П% – коэффициент пульсаций (относительная величина пульсаций выпрямленного напряжения в процентах от величины среднего напряжения на выходе выпрямителя).

Формулы для расчета выпрямителей с емкостным фильтром приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Формулы для расчета схем выпрямителей

№ схемы	m	IВ, А	UОБР, В	IМАХ А	RВ, Ом	U2, В	I2, А	IВД, А	PГАБ, ВА
4.1			2,82Ч·ВЧU0		Ri+Rт				2PО
4.2			2,82Ч·ВЧU0		Ri+Rт				1,7PО
4. 3			1,41Ч·ВЧU0		2ЧRi+Rт				1,5PО
4.4			1,41Ч·ВЧU0		Ri+Rт				1,5PО
4.5			2,82Ч·ВЧU0		2ЧRi+Rт				1,5PО

В таблице 4.1 приняты следующие обозначения:

I_В – среднее значение выпрямленного тока вентиля,

U_ОБР – обратное напряже­ние на вентиле,

I_МАХ – максимальный ток (амплитудное значение) вентиля,

R_В – внутреннее сопротивление выпрямителя,

U₂ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора,

I₂ – ток вторичной обмотки трансформатора,

I_ВД – действующее значение тока через вентиль,

P_ГАБ – габаритная мощность трансформатора,

m – число фаз выпрямления,

I_О — ток нагрузки выпрямителя,

U_О – напряжение на нагрузке выпрямителя (на конденсаторе фильтра),

Р_О = U_ОЧI_О – мощность нагрузки;

B, F, D – вспомогательные расчетные коэффициенты, определяемые по графикам на рисунке 4. 6.

Рисунок 4.3 — Мостовой выпрямитель

Рисунок 4.4 — Выпрямитель с удвоением напряжения

Рисунок 4.5 — Мостовой выпрямитель со средней точкой

Методика расчета выпрямителя заключается в расчете ряда основных характеристик выпрямительных диодов и трансформатора выпрямителя. По данным, полученным в процессе расчета, используя справочники, выбирают марку диодов для выпрямителя, марку и тип конденсатора фильтра. Последовательность действий при расчете приведена ниже.

Определяем внутреннее сопротивление вентиля

, (4.1)

где, U_П – прямое падение напряжения на диоде (0,4 – 0,5 В для германиевых диодов, 1,0 – 1,1 В для кремниевых диодов).

Определяем внутреннее сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

, (4.2)

где j – плотность тока в обмотках трансформатора (3 ё 5) А/мм²;

B – индукция магнитного поля в сердечнике. Она равна В = (1,1 ё 1,3)Т для пластинчатых сердечников и В = (1,5 ё 1,6)Т – для ленточных сердечников трансформаторов;

K — расчетный коэффициент. К = 2,0 ё 2,3 для схем на рисунках 4.1 – 4.3 и рисунка 4.5, для схемы на рисунке 4.4 коэффициент К = 0,5 ё 0,6.

Определяем основной расчетный коэффициент А.

, для схем на рисунках 4.1 –4.5. (4.3)

, для схем на рисунке 4.5. (4.4)

Определяем вспомогательные коэффициенты В, F, D.

Вспомогательные коэффициенты В, F, D, определяются по графикам, приведенным на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 — Графики для определения расчетных коэффициентов

С помощью коэффициентов В, F, D, по формулам таблицы 4. 1, проводим расчет всех указанных в таблице параметров выпрямителя.

По значениям U_ОБР, I_ВДнаходим тип выпрямительных диодов. Выбранные из справочника диоды должны по своим параметрам превосхо­дить расчетные значения.

Определяем емкость конденсатора фильтра.

Емкость конденсатора фильтра находят по эмпирической формуле:

. (4.5)

В заключение расчета следует выбрать марку диода и тип конденса­тора [4 ].

При этом нужно указать тип конденсатора, его номинальную емкость и номинальное напряжение. Номинальная емкость выбранного конденсатора должна быть не менее полученной по формуле (4.5). Номинальное напряжение конденсатора должно быть не менее чем на 20% превосходить значение напряжения на нагрузке U₀.

Рекомендуемые страницы:

Как выбрать мостовой выпрямитель

Мостовые выпрямители присутствуют на рынке уже много десятилетий. Очень часто переход от дискретных диодов к интегральным мостовым выпрямителям является следствием необходимости компромисса между габаритами и стоимостью, или другими параметрами. В некоторых случаях компактные размеры и простота монтажа (вместо четырех компонентов на плату устанавливается всего один) являются критически важными параметрами, а в других случаях нет. Кроме того, применять интегральные мостовые выпрямители возможно только при условии, что уровень потребляемой мощности позволяет это сделать. В настоящей статье мы будем полагать, что выбор между дискретными диодами и интегральным выпрямителем сделан в пользу интегрального выпрямителя.

Итак, мы решили использовать интегральный выпрямитель. Какие электрические и механические характеристики необходимо учитывать при выборе конкретной модели выпрямителя, и о каких дополнительных особенностях должен помнить разработчик? В этой статье мы определим самые важные параметры выпрямителей, рассмотрим существующие варианты и дадим некоторые рекомендации того, как следует анализировать характеристики выпрямителей, а также оценивать их качество и стоимость. В среде разработчиков широко распространены заблуждения относительно соотношения цены и качества мостовых выпрямителей. Узнав об этих заблуждениях, вы сможете повысить надежность своих устройств, не увеличивая их стоимости.

Габариты, корпус и мощность

Существуют трехфазные и однофазные мостовые выпрямители, применяемые в соответствующих приложениях. При необходимости можно использовать несколько однофазных мостовых выпрямителей в многофазном приложении. Исходными данными при выборе конкретной модели выпрямителя являются уровень требуемой мощности и площадь свободного места на печатной плате. Эти параметры будут определять габариты и корпусное исполнение выпрямителя.

Как правило, выпрямители, предназначенные для поверхностного монтажа, используются в приложениях с потребляемой мощностью до 70 Вт. Если требуется более высокая мощность, следует выбирать выводные модели с монтажом в отверстия. Выпрямители с SIP-корпусом перекрывают диапазон мощностей 70…1000 Вт.

Для устройств мощностью более 1000 Вт используют выпрямители с клеммными выводами или выпрямители, предназначенные для проводного монтажа. Выпрямители c клеммными выводами могут устанавливаться в колодки либо распаиваться на печатной плате. На рис. 1 показаны различные варианты выпрямителей, представленные на рынке.

Рис. 1. Стандартные типы корпусов мостовых выпрямителей

Во многих случаях для охлаждения выпрямителей недостаточно конвекции. Чтобы отвести тепло от мощных выпрямителей, их устанавливают на панели. При очень большой нагрузке используют радиаторы.

Чтобы оценить тепловое сопротивление, необходимо обратиться к документации на выпрямитель. При этом следует понимать, что единственный показатель, на который может повлиять производитель мостового выпрямителя это тепловое сопротивление переход-корпус. Разработчик должен обеспечить, чтобы в процессе работы температура кристалла не превышала максимально допустимое значение (обычно 125 °C), однако при проектировании рекомендуется создавать некоторый запас и ограничивать допустимый нагрев на уровне 100 °C. Чтобы оценить, как выпрямитель будет вести себя в конкретном приложении, можно выполнить тепловое моделирование и оценить тепловое сопротивление системы.

Очень часто производители предоставляют трехмерные модели своих интегральных выпрямителей. Это существенно упрощает конструирование устройств, создание посадочных мест и проектирование печатных плат, особенно в тех случаях, когда речь идет об уникальных корпусах, которых нет в библиотеке вашего САПР. Поскольку силовые электронные устройства работают с высокими напряжениями, то они должны соответствовать требованиям отраслевых стандартов, например, по уровню напряжения изоляции. Это же касается и составных частей электронных устройств, в частности, выпрямителей, радиаторов и т. д. Проверьте, что используемые вами компоненты соответствуют требованиям UL. Это является важным условием успешного прохождения испытаний и сертификации.

Рейтинг пускового тока

При выборе выпрямителя следует убедиться, что он способен выдерживать высокие пусковые токи. Автономным устройствам и преобразователям напряжения часто приходится иметь дело со значительными бросками тока при запуске. Это связано с наличием входных конденсаторов, которые заряжаются большим током при включении питания. Если кристалл выпрямителя имеет малый размер, или тепло от него отводится неэффективно, то он не всегда может справиться с перегревом, возникающим при первоначальном броске тока. В результате, при включении питания кристалл может быть поврежден. Поэтому при выборе выпрямителя необходимо учитывать рейтинг пускового тока и при необходимости проконсультироваться с производителем.

Недорогие выпрямители и выпрямители от малоизвестных производителей зачастую имеют меньший размер кристалла по сравнению с дорогими моделями от известных производителей. Небольшой размер кристалла является достоинством, только если речь идет о микропроцессорах или о других интегральных микросхемах со сверхбольшой степенью интеграции (VLSI), однако для силовых компонентов это скорее недостаток. Уменьшение размера кристалла выгодно для производителя, так как это позволяет ему снизить стоимость продукции. Дешевый выпрямитель может некоторое время нормально работать, однако в конечном итоге вероятность отказа для него существенно выше, чем для качественных дорогих моделей. Таким образом, выбирая выпрямитель, помните, что скупой платит дважды.

Если из-за поломки выпрямителя потребителю придется поменять блок, расположенный в труднодоступном месте, например, на крыше или на башне, тогда затраты на замену могут составить сотни (или даже тысячи) долларов. Очевидно, что в подобных случаях не стоит рисковать и экономить несколько центов на выпрямителе. На рис. 2 показаны средние диапазоны рейтингов тока для различных типов выпрямителей.

Рис. 2. Обзор рейтингов тока для типовых мостовых выпрямителей

Высокое качество – это норма?

Сегодня все считают, что высокое качество – это норма, однако это совсем не так. Если в 80-е и 90-е многие компании делали ставку на качество, то сейчас в отрасли царят совсем другие настроения: «Это самый дешевый компонент? Я могу получить его сегодня и начать зарабатывать деньги?»

При выборе мостового выпрямителя запрашивайте у производителя информацию о качестве и надежности, интересующего вас компонента. Если мостовой выпрямитель не может выдержать суровые квалификационные испытания и сертификацию согласно AEC-Q, или производитель не предоставляет отчет о надежности, то следует отказаться от использования такого сомнительного компонента.

Поставщики, ориентированные на качество, знают, что автомобильные стандарты задают очень высокую планку надежности. Если электронный компонент отвечает требованиям надежности автомобильных стандартов, это означает, что он, скорее всего, будет отвечать требованиям надежности большинства других стандартов. Именно поэтому производители часто сертифицируют свою продукцию в соответствии с AEC-Q. Например, компания Taiwan Semiconductor (TSC) сертифицирует все свои электронные компоненты согласно автомобильным стандартам и гарантирует уровень надежности на уровне не хуже, чем 4 отказа на миллиард. При таком уровне качества и при условии нормальных условий эксплуатации электронный компонент будет исправно работать десятилетиями.

Прямое падение напряжения и процесс обратного восстановления

После того как определена мощность, средний и пусковой ток мостового выпрямителя, следующим шагом становится определение прямого падения напряжения, требуемого в проектируемом устройстве. Кроме того, следует выяснить необходимый уровень быстродействия диодов и решить, будет ли достаточно типового времени восстановления 3 мкс (стандартное значение для мостовых выпрямителей общего назначения). Как правило, в большинстве приложений хватает быстродействия мостовых выпрямителей общего назначения. Однако в некоторых специализированных приложениях можно дополнительно повысить эффективность за счет использования быстродействующих диодов или диодов Шоттки.

Рабочее напряжение

Еще одной важной характеристикой мостового выпрямителя является рабочее напряжение. В традиционной двухполупериодной схеме выпрямления выходной конденсатор заряжается до пикового напряжения сети. Амплитудное значение можно рассчитать, умножив входное действующее напряжение на √2.

Например, для бытовой сети 230 В (ГОСТ 29322-2014 и IEC 60038:2009), амплитудное значение составит 230 В •√2 ≈ 325 В (без учета допустимого отклонения ±10 %). Данное значение обычно удваивают, чтобы обеспечить надежный запас, предполагая, что к мосту может быть приложено удвоенное пиковое напряжение 600 В (максимальное напряжение при обрыве нуля). Однако при прохождении испытаний согласно IEC вам может потребоваться еще более высокий рейтинг напряжения 800 В или 1000 В. Кроме того, в некоторых развивающихся странах параметры электросети вообще слабо нормируются (остерегайтесь экспорта в Индию!). По этой причине большой запас по напряжению может быть большим плюсом.

Последнее замечание заслуживает дополнительного рассмотрения. Сеть переменного тока и другие сети, где используются мостовые выпрямители, часто сталкиваются с переходными процессами и скачками напряжения. Во время тестирования на соответствие стандартам IEC испытуемое устройство будет целенаправленно подвергаться воздействию статических разрядов, синфазных и дифференциальных помех и т. д. Стандарт IEC 61000-4-5 предполагает подачу на вход устройства напряжений 300 В RMS и других помех.

Среди инженеров бытует ошибочное мнение, что для снижения стоимости изделий следует выбирать мостовые выпрямители с минимальным запасом по напряжению. Это распространенная ошибка. Например, на протяжении десятилетий диоды семейства 1N400X имеют одинаковые электрические характеристики (кроме номинального обратного напряжения) и примерно одинаковую низкую стоимость. С точки зрения цены не важно, выберете вы 1N4001, 1N4007 или другую модель. Так почему бы не применять во всех случаях 1N4007, даже для выпрямления напряжения на вторичной стороне низковольтного трансформатора на 24 В?

То же самое относится и к мостовым выпрямителям. Как правило, стоимость мостовых выпрямителей с более высоким рейтингом напряжения не намного отличается от более низковольтных моделей. Это объясняется достаточно просто. Дело в том, что обычно все модели мостовых выпрямителей изготавливаются из одной пластины кремния с расчетом получения самого высокого рейтинга напряжения. После изготовления изделия проходят дополнительную выборочную проверку. Если по каким-то причинам партия не соответствует требованиям, ее рейтинг напряжения понижается. Таким образом, модели с низким напряжением – это всего лишь партии, которые были отсеяны в процессе тестирования. Другими словами, мостовой выпрямитель на 50 или 100 В может фактически иметь рейтинг 800 В или даже 1000 В.

Тем не менее, некоторые производители не проводят проверки мостовых выпрямителей после производства, и указывают для них максимальный рейтинг напряжения, что приводит к потенциальным проблемам с надежностью. Клиенты могут избежать неприятных ситуаций, убедившись, что поставщик выполняет выборочное тестирование PAT (part average testing) [1].

Стандартные мостовые выпрямители имеют диапазон рабочих напряжений от 50 до 1000 В и выше. Специальные мостовые выпрямители (на диодах Шоттки, на сверхбыстрых диодах и т. д.) обычно имеют номинальное напряжение от 40 В до 1000 В. При прочих равных условиях следует выбирать мостовой выпрямитель с максимальным рабочим напряжением. Как показывает практика, из-за высокого спроса выпрямитель с более высоким рейтингом напряжения 800 В может стоить даже меньше, чем модели с напряжением 50 или 100 В. При этом ваше устройство будет иметь больший запас прочности, что позволит ему выдерживать неблагоприятные воздействия и сохранять работоспособность в течение долгого времени.

Источник:

1. “Secrets Of The Datasheet: What Rectifier Specs Really Mean” by Jos van Loo and Kevin Parmenter, How2Power Today, September 2019.
2. http://www.how2power.com

PSU 101: мостовые выпрямители и APFC

Мостовые выпрямители и APFC

Мостовые выпрямители

Один или несколько мостовых выпрямителей полностью выпрямляют поток мощности переменного тока после того, как он проходит через фильтр EMI / переходных процессов. Во время этого процесса переменный ток преобразуется в постоянный с повышенным уровнем напряжения (если у нас есть вход 230 В, то выход постоянного тока мостового выпрямителя будет √2×230 = 325,27 В постоянного тока). После этого сигнал постоянного тока подается на полевые транзисторы каскада APFC.

Активный преобразователь коррекции коэффициента мощности (APFC)

Прежде чем мы поговорим о стадии APFC, давайте рассмотрим некоторые основные концепции.Коэффициент мощности определяется как отношение реальной мощности к полной мощности (кВт / кВА), а мощность является произведением напряжения и тока (P = V x I) .

У нас есть два основных типа нагрузки: резистивная (нагрузка состоит только из резисторов) и реактивная (нагрузка состоит из катушек индуктивности, конденсаторов или того и другого). В системе отсчета с линейной нагрузкой, которая питается от сети переменного тока, кривые как тока, так и напряжения имеют синусоидальную форму (синусоида или синусоида — это математическая функция, описывающая плавные повторяющиеся колебания).Если нагрузка является чисто резистивной, то две вышеуказанные величины меняют полярность одновременно (фазовый угол между напряжением и током равен 0 градусов), поэтому в каждый момент произведение напряжения и тока положительно. Это означает, что направление потока энергии не меняется, поэтому на нагрузку передается только реальная мощность.

В случаях, когда нагрузка является чисто реактивной, существует временной сдвиг (теоретически максимум составляет 90 градусов, но обычно составляет 45 градусов) между напряжением и током, поэтому произведение этих двух для половины каждого цикла положительно. , а для другой половины он отрицательный (когда напряжение достигает своего пика, положительного или отрицательного, ток равен нулю и наоборот).Таким образом, в среднем к нагрузке поступает столько же энергии, сколько возвращается к источнику (электросети). Если мы проанализируем весь цикл, то мы увидим, что нет чистого потока энергии и что течет только реактивная энергия , поскольку нет чистой передачи энергии к нагрузке.

Однако приведенное выше объяснение является только теоретическим, потому что в реальной жизни все нагрузки (или цепи) имеют сопротивление, индуктивность и емкость. Значит, к ним будет поступать как реальная, так и реактивная мощность.Полная мощность — это векторная сумма реальной и реактивной мощности или произведение среднеквадратического значения напряжения и тока. Как уже упоминалось, коэффициент мощности — это соотношение между реальной и полной мощностью. Мы также должны подчеркнуть, что бытовые потребители платят только за реальную потребляемую мощность (ватты), а не за кажущуюся мощность. Напротив, бизнес-потребители также должны платить за кажущуюся мощность.

Хотя бытовые потребители не должны платить за полную мощность, чтобы минимизировать потребление кажущейся мощности, стандарт ЕС EN61000-3-2 гласит, что все импульсные источники питания с выходной мощностью более 75 Вт должны включать пассивный Конвертер PFC.Кроме того, для сертификации 80 PLUS требуется коэффициент мощности 0,9 или более. Несколько лет назад многие производители блоков питания использовали в своих продуктах пассивную коррекцию коэффициента мощности (PPFC). PPFC использует фильтр, пропускающий ток только с частотой сети 50 или 60 Гц, поэтому гармонический ток уменьшается, а нелинейная нагрузка преобразуется в линейную нагрузку. Затем с помощью конденсаторов или катушек индуктивности коэффициент мощности можно довести до единицы. Недостатком PPFC является то, что он имеет меньшие коэффициенты мощности, чем APFC, и требует удвоителя напряжения, чтобы блок питания был совместим с 115/230 В.Напротив, PPFC имеет более высокую эффективность, чем APFC.

APFC — это, по сути, преобразователь переменного тока в постоянный, который управляет током, подаваемым на PSU, посредством широтно-импульсной модуляции (PWM). Сначала мостовой выпрямитель выпрямляет напряжение переменного тока, а затем ШИМ запускает полевые транзисторы APFC (обычно два из них), которые разделяют промежуточное напряжение постоянного тока на постоянные последовательности импульсов. Эти импульсы сглаживаются конденсатором (-ами) большой емкости и подаются на главные переключатели. Прямо перед сглаживающим конденсатором (-ами) мы всегда находим катушку индуктивности, которая может ограничивать внезапное повышение тока без рассеивания энергии, поскольку это реактивный компонент.Эта катушка необходима, потому что все конденсаторы, подключенные напрямую к сигналу постоянного тока, показывают неконтролируемый пусковой ток, и этот индуктор эффективно его ограничивает. Вышеупомянутый индуктор также может играть роль трансформатора тока, информируя контроллер APFC о токе, который проходит через цепь. Наконец, в большинстве случаев в APFC также есть термистор для дальнейшего ограничения пускового тока, особенно в фазе включения блока питания, когда сглаживающий конденсатор полностью разряжен.

В APFC используются два разных типа управления: режим прерывистой проводимости (DCM), когда полевые транзисторы PFC включаются только тогда, когда ток индуктора достигает нуля, и режим непрерывной проводимости (CCM), когда полевые транзисторы включаются. когда ток катушки индуктивности все еще выше нуля, и, таким образом, вся энергия обратного восстановления рассеивается в полевых транзисторах. На этапе APFC блоков питания в основном используется второй режим (CCM). Он идеально подходит для выходной мощности более 200 Вт, поскольку обеспечивает самое низкое соотношение пиковой и средней силы тока для преобразователя.Основными недостатками CCM являются потери и генерация электромагнитных помех, связанных с отключением повышающего диода. Обратные токи восстановления диода вызывают значительное рассеивание мощности на полевых транзисторах и увеличение электромагнитных помех. Вот почему мы обычно видим конденсатор X после мостового выпрямителя.

Однофазный мостовой выпрямитель — Проект электроники

Однофазный мостовой выпрямитель

Это наиболее часто используемая схема для электронных источников питания постоянного тока. Для этого требуется четыре диода, но используемый трансформатор не имеет центрального отвода и имеет максимальное напряжение V _SM. Двухполупериодный мост-выпрямитель доступен в трех различных физических формах.

1. Четыре дискретных диода,
2. Одно устройство в четырехконтактном корпусе,
3. Как часть массива диодов в ИС

Работа схемы

Во время положительной входной полуволны, клемма M вторичная обмотка положительна, а N отрицательна, как показано на рисунке 2.

Диоды D ₁ и D ₃ становятся смещенными в прямом направлении (ВКЛ), тогда как D ₂ и D ₄ имеют обратное смещение ( ВЫКЛ).Следовательно, ток течет по MEABCFN, вызывая падение на R _L .

Во время полупериода отрицательного входа вторичная клемма N становится положительной, а M отрицательной. Теперь D ₂ и D ₄ смещены вперед. Ток в цепи протекает по NFABCEM, как показано на рисунке 3.

Следовательно, мы обнаруживаем, что ток продолжает течь через сопротивление нагрузки R _L в том же направлении AB в течение обоих полупериодов входного переменного тока. Следовательно, точка A мостового выпрямителя всегда действует как анод, а точка C — как катод.Выходное напряжение на R _L показано на рисунке. Его частота вдвое больше, чем частота питания.

Связанная тема

1. Среднее и среднеквадратичное значение мостового выпрямителя
   
2. КПД мостового выпрямителя Мостовой выпрямитель
3. Пиковое обратное напряжение (PIV) мостового выпрямителя
4. Пиковое значение тока мостового выпрямителя
5. Коэффициент использования трансформатора мостового выпрямителя
6. Преимущество 9 мостового выпрямителя
7. Недостаток мостового выпрямителя