1 Цель работы
Изучить принцип работы однофазных выпрямительных схем с умножением напряжения и экспериментально исследовать основные характеристики выпрямительных устройств с удвоением и утроением напряжения.
Краткие теоретические сведения
Выпрямительные схемы с умножением напряжения применяются для питания высоковольтных маломощных потребителей постоянного напряжения, таких, как электроннолучевые трубки и фотоэлектронные умножители.
Однофазные схемы умножения бывают однополупериодными и двухполупериодными.
Принцип работы мостовой выпрямительной схемы с удвоением напряжения (схемы Латура), представленной на рисунке 2.1, заключается в следующем.
В два плеча выпрямительного моста включены вентили VD1 и VD2, а в два другие плеча - конденсаторы С1 и С2. При положительном потенциале точки а по отношении к точке б открыт вентильVD1 и конденсатор C1 заряжается. Ток в этот полупериод переменного напряжения протекает через вторичную обмотку трансформатора, диод VD1 и конденсатор C1. В слчедующий полпериод при противоположном направлении переменной ЭДС (при положительном потенциале точки б по отношению к точке а заряжается конденсатор С2. Ток заряда конденсатора C2 протекает через вторичную обмотку, конденсатор С2, диад VD2. Конденсаторы C1 и С2 по отношению к сопротивлению нагрузки RH соединены последовательно. Поэтому напряжение на нагрузке U0(t) в каждый момент времени t равно сумме напряжений UC1(t) и UC2(t) на этих конденсаторах.
Р
азряд
конденсаторов происходит в основном
через сопротивление нагрузки. Небольшая
часть тока разряда протекает по цепям
утечки и через обратные сопротивления
вентилей. Так как напряжение на
конденсаторах UC1(t)
и UC2(t)
сдвинуты по фазе на половину периода,
то суммарное напряжение U0(t)
изменяется с удвоенной частотой, т.е. в
этой схеме частота fП1
первой гармоники выпрямленного напряжения
равна удвоенной частоте fC
сети (fП1=2fC).
Флуктуации напряжения на выходе
выпрямителя характеризуются коэффициентом
пульсации:
где U2 - некоторая мера переменной составляющей выпрямленного напряжения;
U0 - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.
В качестве меры переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя могут служить действующее значение пульсаций, амплитуда парной наиболее интенсивной гармоники пульсаций, напряжение полуразмаха пульсации, т.е. половина разности между максимумом и минимумом пульсации.
При оценке коэффициента пульсации в данной работа в качестве UП используется напряжение полуразмаха пульсации.
Величина коэффициента пульсации при постоянной нагрузке обратно пропорциональна величине емкости конденсаторов. Конденсаторы C1 и C2 должны иметь достаточно большую емкость, чтобы в интервалах между их подзарядками напряжение на выходе выпрямителя уменьшилось незначительно.
Однофазные схемы выпрямителя с умножением напряжения в два, три и шесть раз приведены на рисунок 2.2.
Действие первой из них (рисунок 2.2а) заключается в следующем. В полупериод напряжения U2(t) с полярностью, указанной на схеме, ток протекает через вентиль VD1 и заряжает конденсатор C1 как в схемах с емкостной реакцией нагрузки, т.е. с отсечкой тока вентиля. В следующий полупериод, когда полярность напряжения изменяется на противоположную, напряжения U2(t) и U0 суммируется и на сопротивлении нагрузки возникает пульсирующее напряжение, как показано на рисунок 2.2б. Описание процесса упрощено тем, что зарядка и разрядка конденсаторов рассматриваются раздельно. На самом деле, в некоторой части периода наряду с зарядным током через вентиль VD1 протекает также ток нагрузки.
Здесь, как и ранее, для упрощения рассуждений сделано допущение, что ток нагрузки намного меньше зарядного тока. Описанный процесс повторяется каждый период.
В схеме на рисунок 2.2в выпрямление происходит с умножением напряжения примерно в три раза. При этом в первый положительный период с полярностью напряжения U2(t), обозначенной на схеме, конденсатор C1 заряжается через вентиль VD1 до амплитуды напряжения U2(t). В следующий полупериод конденсатор C2 заряжается через вентиль VD2 суммарным напряжением U2m+U2. В последующий полупериод, когда происходит повторная зарядка конденсатора C1 через вентиль VD1, запертым окажется вентиль VD2 и конденсатор C2 разрядится через вентиль VD3 на конденсатор VD3, зарядив его до суммарного напряжения U2m+UC2. По окончании зарядки конденсатора C1 сопротивление нагрузки окажется под суммарным напряжением UC1+UC3, т.е. почти под утроенным напряжением U2m (т.е. U0=3U2m).
На рисунок 2.2г приведена схема с умножением напряжения в шесть paз. Ее действие аналогично рассмотренному выше. Если в схеме удвоения напряжения имелось 2 конденсатора и 2 вентиля, то в общем случае для умножения в K раз требуется K вентилей и конденсаторов. При этом напряжение на нагрузке достигает номинального значения спустя K периодов выпрямленного тока. Пульсация выпрямленного напряжения происходит с частотой fH=fC, а величина пульсаций определяется емкостью конденсаторов и сопротивлением нагрузки RH. В этой схеме конденсаторы работают в неодинаковых условиях. Первые из них находятся под напряжением меньшим, чем последние, которые более нагружены и должны быть рассчитаны на более высокие рабочие напряжения.
