4.3 Управляемые выпрямители на тиристорах

В большинстве практических случаев, от выпрямительных устройств требуется не только преобразовать переменный ток в постоянный, но и обеспечить возможность плавного регулирования постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Это удобно делать с помощью изменения параметров управляемых вентилей. С начала 60-х годов для этих целей используется тиристор – полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой. Вольтамперная характеристика и принцип работы тиристора были описаны в п. 3.1. Принцип работы управляемого выпрямителя рассмотрим на примере однотактной двухфазной схемы.

Рисунок 51. Управляемый выпрямитель на тиристорах

Рисунок 52. Осциллограммы к рисунку 51

Устройство управления формирует синхронные выпрямляемому напряжению импульсы тока, фаза которых относительно напряжений и

может регулироваться. Эти импульсы тока подаются на управляющий электрод тиристора. Угол задержки открывания α отсчитывается от момента открывания неуправляемого выпрямителя.

5 Стабилизаторы напряжения и тока

Нормальная работа большинства устройств невозможна без обеспечения стабильности питающих напряжений. Радиовещательная станция допускает нестабильность питания не хуже 2-3 %, клистронные генераторы допускают нестабильность 0,1%, электронный микроскоп – 0,005%, измерительные усилители – 0,0001%. Напряжение источника энергии может меняться медленно либо быстро. Стабилизатор должен отследить всякие изменения. Дестабилизирующими факторами являются частота питающей сети, температура, влажность, изменение напряжения источника питания. Одним из основных дестабилизации является изменение нагрузки в процессе работы.

Стабилизаторы бывают:

• постоянного и переменного напряжения;

• параметрические и компенсационные.

В качестве параметрических используются нелинейные элементы. Их основные недостатки – невозможность плавной регулировки выходного напряжения, низкий КПД. Компенсационные стабилизаторы – система с обратной связью. Они делятся:

• по способу включения регулирующего элемента: последовательные и параллельные;

• по режиму работы регулирующего элемента: линейные и импульсные (ключевые).

Основной характеристикой является коэффициент стабилизации – отношение относительного приращения стабилизируемой величины к относительному приращению дестабилизирующего фактора.

Стабилизатор является и фильтром, следовательно, может характеризоваться и коэффициентом сглаживания.

5.1 Параметрические стабилизаторы.

Существуют нелинейные элементы, вольтамперные характеристики которых имеют характерные участки, параллельные оси абсцисс или ординат. Эти нелинейные элементы могут использоваться для стабилизации напряжения или тока. На рисунке 53 изображена вольтамперная характеристика нелинейного элемента первого рода, который, будучи включен в схему на рисунке 54, обеспечит стабилизацию тока в нагрузке.

Рисунок 53. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента первого рода

Рисунок 54. Схема параметрического стабилизатора тока

На участке АБ вольтамперной характеристики большим изменениям напряжения соответствует незначительное изменение тока через нелинейный элемент. Поскольку сопротивление нагрузки включено последовательно с нелинейным элементом, то в нем ток также не изменяется. На рисунках 55 и 56 вольтамперная характеристика нелинейного элемента и схема, позволяющая получить стабилизацию напряжения.

Рисунок 55. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента второго рода

Рисунок 56. Схема стабилизатора напряжения

В этой схеме сопротивление нагрузки включается параллельно нелинейному элементу, что обеспечивает постоянство напряжения на нагрузке. Балластное сопротивление ограничивает ток нелинейного элемента. Самым распространенным нелинейным элементом, используемым для стабилизации напряжения, является полупроводниковый стабилитрон, вольтамперная характеристика которого представлена на рисунке 57, а схема на рисунке 58.

Рисунок 57. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Рисунок 58. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Коэффициент стабилизации этой схемы

определяется динамическим сопротивлением стабилитрона и балластным сопротивлением. Кроме изменения напряжения на входе существуют и другие дестабилизирующие факторы, например температура. Параметры стабилитрона меняются, и стабилизация ухудшается. Для уменьшения температурного влияния применяют температурную компенсацию, включая последовательно со стабилитроном диод с противоположным по знаку температурным коэффициентом (пунктир на рисунке 58). Улучшить стабилизацию можно, применяя многокаскадные схемы.

Другой вариант улучшения – применение стабилизатора тока в качестве балластного сопротивления (рис. 59). Обеспечив стабильность напряжения на базе транзистора с помощью стабилизатора на стабилитроне D1, обеспечиваем постоянство коллекторного тока, а, следовательно, рабочая точка стабилитрона D2 практически остается на месте, что гарантирует постоянство выходного напряжения.

Рисунок 59. Улучшенная схема стабилизатора напряжения

На рисунке 60 изображена вольтамперная характеристика дросселя с насыщенным сердечником (в другом масштабе это зависимость магнитной индукции от напряженности, т.е. кривая намагничивания).

Рисунок 60. Вольтамперная характеристика дросселя с насыщенным сердечником.

Из рисунка следует, что на участке АБ этот нелинейный элемент может быть использован для стабилизации напряжения переменного тока. Схема стабилизатора приведена на рисунке 61.

Рисунок 61. Параметрический стабилизатор напряжения переменного тока

В качестве балластного сопротивления используют линейную индуктивность – дроссель с ненасыщенным сердечником. Применение таких стабилизаторов ограничено из-за присущих им недостатков: напряжение на нагрузке сильно зависит от характера нагрузки, форма кривой стабилизированного напряжения не синусоидальна, низкий КПД, габариты и др. Лучшими характеристиками обладает феррорезонансный стабилизатор (рис. 62).

Рисунок 62. Упрощенная схема феррорезонансного стабилизатора

Параллельно дросселю с насыщенным сердечником включен конденсатор. Эти элементы образуют параллельный контур. Рассмотрим зависимость между напряжением и токами для двух параллельных ветвей

и С (рис. 63).

Рисунок 63. Вольтамперная характеристика феррорезонансного стабилизатора.

Р езультирующий ток . Если потери в дросселе и

к онденсаторе отсутствуют, то токи и противофазны и результирующий ток равен арифметической разности .При малых напряжениях ток в дросселе мал и результирующий ток имеет емкостной характер. Точка А – резонанс токов. Суммарная кривая более пологая, чем для дросселя насыщения, т.е. стабилизирующая способность выше. Рабочий участок (правее точки А) более протяженный. Слева от точки А неустойчивый режим. Вариант улучшенной схемы представлен на рисунке 64.

Р исунок 64. Улучшенная схема феррорезонансного стабилизатора

Н апряжение ,чтобы учесть возможное уменьшение напряжения сети (Uвх). с целью увеличения L и уменьшения C. Для достижения большей стабильности включают компенсационную катушку, намотанную на одном сердечнике с , т.е. ненасыщенную. На рисунке 65 показан принцип работы этой катушки.

Рисунок 65. Объяснение влияния компенсационной индуктивности.

К достоинствам феррорезонансного стабилизатора можно отнести простоту и надежность. К недостаткам – те же, что и в дросселе с насыщенным сердечником, но выраженные в меньшей степени.