2.4.4 Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку

В схемах с большим потреблением тока в качестве первого элемента фильтра включается дроссель, обладающий большой индуктивностью. Его индуктивное сопротивление для первой гармоники выпрямленного тока должно быть значительно больше сопротивления нагрузки mw_cL > Rн, при этом реакция нагрузки будет индуктивной.

Принцип работы. При положительном полупериоде напряжения U₂ вторичной обмотки трансформатора выпрямительный диод VD открыт и в цепи протекает ток i₂. При увеличении напряжения ток i₂ через диод возрастает. При этом на дросселе L_др возникает противо - ЭДС E_L направленная противоположно напряжению U₂ и препятствующая нарастанию тока диода. В момент времени t₁ ток i₂ достигает максиума, в этот момент крутизна нарастания тока и значение противо-ЭДС будут равны нулю. В интервале времени t₁...t₃ ток диода уменьшается при уменьшении напряжения U₂. На индуктивности снова возникает противо-ЭДС противоположного знака, которая стремится поддерживать неизменный ток в цепи

41

выпрямителя, хотя в интервале времени t₂...t₃ напряжение на вторичной обмотке и на аноде диода отрицательное. При уменьшении тока в цепи до нуля противо-ЭДС также становится раной нулю.

Рисунок 2.19 - Принципиальная схема ( а) работы выпрямителя на

индуктивную нагрузку и временные диаграммы ( б)

Анализ схемы выпрямления. Как видно из графика (рисунок 2.19,б), угол отсечки тока диода Θ будет больше 90°.

Форма выпрямленного напряжения повторяет форму тока. Форма обратного напряжения отличается от формы обратного напряжения при работе выпрямителя на активную нагрузку.

При работе выпрямителя на индуктивную нагрузку выпрямленное напряжение меньше, чем при активной нагрузке.

Максимальное и среднеквадратическое значение тока через диод уменьшается, поэтому схему применяют на большие мощности нагрузки.

Основные особенности схемы:

- пульсации выпрямленного напряжения на индуктивную нагрузку меньше, чем при активной нагрузке;

- сглаживающие действия дросселя эффективнее при низкоомной нагрузке и при большем числе фаз вторичной обмотки трансформатора;

- максимальное значение тока диода близка к средневыпрямленному значению тока в нагрузке ;

- длительность работы диодов увеличивается. Рекомендации по применению. Выпрямители с индуктивной реакцией лучше всего работают при больших токах нагрузки.

2.4.5 Работа выпрямителя на нагрузку lcr

Этот случай имеет место, когда в состав сглаживающего фильтра входят конденсатор и индуктивность. Характер нагрузки ( ёмкостной или индуктивный ) зависит от способа включения элементов фильтра

42

и соотношение между сопротивлением этих элементов и нагрузкой. Если включен только один конденсатор С₁ (рисунок 2.20,а) и выполняется соотношение

1/mwC_l<< mwL>>RH, ( 2.10)

то можно считать, что выпрямитель работает на ёмкостную нагрузку. Если С₁ отсутствует, а параллельно нагрузке включен конденсатор С₂ и выполняется условие

mwL >>Rh >> l/mwC2, ( 2.11)

то нагрузка выпрямителя можно считать индуктивной. В маломощных схемах выпрямителя сглаживающий фильтр начинается с конденсатора и нагрузка для выпрямителя имеет ёмкостную нагрузку, а в мощных - он начинается с индуктивности.

Рисунок 2.20 – Схемы выпрямителей при работе на нагрузку LCR

43

Дополнительный материал к лекции 16 для самостоятельной работы

В ысокочастотные выпрямители для работы с транзисторными преобразователями строятся по тем же схемам, которые были рассмотрены ранее. Однако в этом случае имеются некоторые особенности их работы : напряжение на входе выпрямителя негармоническое, а имеет одну из форм, приведенных на рисунке 2.21,а. При питании выпрямителей напряжением повышенной частоты очень заметными становятся инерционные свойства диода. При резком изменении напряжения на входе выпрямителя диоды теряют вентильные свойства на некоторое время, зависящее от скорости их включения или выключения. Всё это приводит к изменению характеристик выпрямителей, что должно учитывать при их проектировании и эксплуатации.

Рисунок 2.21 – Формы напряжений на входе высокочастотных импульсных выпрямителей ( а), формы напряжений и токов в нём ( б), схема простейшего однофазного выпрямителя с ёмкостным фильтром ( в)

На рисунке 2.21, в, приведена схема простейшего однофазного выпрямителя с ёмкостным фильтром, используя в однотактных импульсных преобразователях. Если на входе такого выпрямителя действует прямоугольное импульсное напряжение с длительностью фронта t_ф, то в установившемся режиме форма тока в диоде будет иметь вид, показанный на рисунке 2.21,б. Диод VD отпирается, когда входное напряжение становится равным напряжению U_h на нагрузке. Ток в диоде нарастает почти линейно и имеет выброс, связанный с зарядом ёмкости С_ф. После этого в диоде равен току нагрузки, а на конденсаторе С_ф поддерживается практически постоянное напряжение U_h. В момент времени t₃ входное напряжение U_bx начинает снижаться, одновременно начинает снижаться и ток диода i_д. Когда напряжение на входе становится равным напряжению на нагрузке, ток диода становится равным нулю. После этого полярность напряжения на диоде меняется на 44

противоположную и начинается процесс рассасывания заряда, накопленного в п-р - переходе диода. При этом ток в диоде меняет направление. Когда процесс рассасывания накопленного заряда закончится, ток в диоде становится равным нулю. Длительность интервала рассасывания и амплитуда обратного тока диода зависят от инерционных свойств диода. Для применения в таких выпрямителях пригодны только диоды, имеющие малое время восстановления ( малое время рассасывания ), такие, как КД226 или КД213. Использование в таких выпрямителях диодов с большим временем восстановления может привести к тому, что диод вообще потеряет свой вентильные свойства.

Вопросы для самопроверки

1 Нарисуйте схему выпрямителя для заряда аккумулятора и поясните принцип работы схемы.

2 Нарисуйте схему выпрямителя работающего на ёмкостную нагрузку и поясните принцип работы схемы.

3 Нарисуйте схему однофазной несимметричной схемы умножения напряжения и поясните работу схему.

4 Нарисуйте схему однофазной мостовой схемы удвоения напряжения и поясните работу схемы.

5 Нарисуйте схему выпрямителя работающего на индуктивную нагрузку и поясните работу схемы.

6 Нарисуйте схемы выпрямления работающие на смешанную нагрузку и поясните работу схем.

7 Определение фазность и тактность схемы выпрям­ления. ,

8 Что является параметрами схемы выпрямления?

9 Из каких соображений выбирается тип вентиля в однофазных и двухфазных схемах выпрямления при работе на R и RС - нагрузки?

10 Как определить U_обр на вентиле при R и RC-нагрузках?

11 Почему изменяется I_m схемы выпрямления при подключении конденсатора параллельно нагрузочному со­противлению?

12 Из каких соображений выбирается емкость конден­сатора фильтра?

13 Чем объясняется различие хода внешних характе­ристик выпрямителя с R и RС-нагрузками?

14 Как зависит угол отсечки Θ от R, R_H, С, m_II? 15 Чем объясняется различие к. п. д. выпрямителя с R и RС-нагрузками?

16 Почему при равном токе I₀ в схеме выпрямления с R и RС-нагрузками I_m различны?

17 Почему в двухфазной схеме выпрямления возможно появление на нагрузочном сопротивлении пульсаций с частотой сети?

18 Как изменятся параметры схемы U₀, I₀, Θ и I_m, если вторичную фазную обмотку силового трансформатора сделать со средней точкой и включить по двухфазной схеме выпрямления при неизменной RС-нагрузке?

45

19 Как изменятся параметры схемы U₀, I₀, Θ и I_m если к однофазной схеме добавить вторую фазу, превра­тив ее в двухфазную схему выпрямления, работающую на неизменную RС-нагрузку?

20 Отличается ли ход внешней характеристики двух­фазного выпрямителя с RС-нагрузкой от равной по мощности однофазной схемы?

21 Как изменяются параметры двухфазной схемы вы­прямления при неравенстве фазных напряжений?

22 Укажите на преимущества и недостатки двухфаз­ной однотактной схемы выпрямления по сравнению с одно­фазной однотактной.

23 Как изменятся параметры двухфазной схемы с RC-нагрузкой при выходе из строя одного из вентилей (рас­смотреть случай короткого замыкания вентиля и обрыва цепи)?

24 Изобразить форму тока первичной и вторичной обмотки силового трансформатора двухфазной схемы с R и RС-нагрузками.

25 Какова форма тока в сопротивлении нагрузки схемы выпрямления с активной и RС-нагрузкой?

26 Как получить от схемы выпрямления постоянные положительное и отрицательное напряжения?

27 От чего зависит величина тока холостого хода силового трансформатора?

Примеры задач до темы лекции 16

Задача 1

Определите величину среднего значения напряжения U₀ на нагрузке, для однополупериодной схемы выпрямления, когда в нагрузку включается параллельно конденсатор ( рисунок 2.15 ) ёмкостью С = 100 мкФ, если частота сети f_с = 50 Гц и ток нагрузки равен I_н = 100 мА. Максимальное напряжение U_2м = 10 В на выходе вторичной обмотки трансформатора.

Решение : 1 Спад напряжения на конденсаторе и, следовательно, размах пульсаций равна

∆U_п = I_н / С∙ f_с ,

где I_н – ток нагрузки в амперах , I_н = 0,1 А ; С – ёмкость в фарадах,

С = 100 10^-6 Ф , f_с - частота сети , f_с = 50 Гц

∆U_п = 0,1 / 100 10 ^-6 50 = 2 В.

2 Среднее значение напряжения на нагрузке равно

U₀ = U'_2м - ∆U_п /2 ,

где U'_2м - максимальное значение напряжения на конденсаторе С, величина которого меньше на величину около 1 В из –за падения напряжения на диоде,

U'_2м = U_2м – 1 = 10 – 1 = 9 В.

46

U₀ = 9 – 1 = 8 В.

Примечание : Для двухполупериодной схемы выпрямителя U₀ = U'_2м - ∆U_п /4 .

Задача 2

Определите основные параметры схемы, с удвоением напряжения

( рисунок 2.18 ), если параметры схемы I_ср = 100 мА – среднее значении тока на нагрузке, величина постоянного напряжения на нагрузке U₀ = 400 В. Внутреннее сопротивление диода Ri = 1 Ом.

Решение : 1 Обратное напряжение на диодах равно

U _обр. = 1,5 U₀ ,

U _обр = 1,5 400 = 600 В

2 Внутреннее сопротивление трансформатора равно

R_тр = 220 ∙U₀ / I_о ∙⁴√ U₀ ∙ I_о ,

где I_ср = I_о = 100 мА.

R_тр = 220∙ 400 / (100 ∙⁴√ 100∙ 400 ) = 62 Ом.

3 Максимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно

U_2м = 0,38∙ U_о + I_о∙ (R_тр + Ri ) /265 ,

U_2м = 0,38∙ 400 + 100∙ (62,0 + 1,0 ) / 265 = 176 В

4 Максимальное значение тока во вторичной обмотке трансформатора равно

I_2м = 2,8 ∙I₀ + 8 ∙U_о / (R_тр + R_i ),

I_2м = 2,8 ∙100 + 8 ∙400 / ( 62,0 + 1,0) = 0,33 А

Выбираем диоды VD₁ и VD₂ типа КД209В - U _обр = 800 В , I_о = 0,5 А.

5 Ёмкость конденсатора С₁ и С₂ равна

С₁ = С₂ = 125∙ I₀ / U_о ,

С₁ = С₂ = 125 ∙ 100 / 400 = 31 мкФ

Выбираем конденсаторы С₁ = С₂ = К50-27 – 50 мкФ – 450 В±20%.

47

6 Коэффициент пульсации схемы равен

к_п = 1250∙ I₀ / U_о ∙С_о ,

к_п = 1250 ∙ 100 / 400∙ 50 = 6,25 %.

Задача 3

Определите основные параметры схемы, с умножением напряжения в четыре раза ( рисунок 2.17 ), если параметры схемы I_ср = 10 мА – среднее значении тока на нагрузке, величина постоянного напряжения на нагрузке U₀ = 800 В. Внутреннее сопротивление диода Ri = 1 Ом.

Решение : 1 Обратное напряжение на диодах равно

U _обр. = 2,8 U₀ ,

U _обр = 2,8 400 = 2240 В

2 Максимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно

U_2м = 0,85∙ U_о / n

U_2м = 0,85∙ 800 / 4 = 170 В

3 Ёмкость конденсатора С₁ , С₂ , С₃ и С₄ равна

С₁ = С₂ = С₃ = С₄ = 34 I₀ ( n + 2 )/ U_2м,

С₁ = С₂ = С₃ = С₄ = 34 10 ∙ ( 4 + 2 ) / 170 = 12 мкФ.

4 Напряжение на конденсаторе U_с1 равно

U_с1 = U_о / n ,

U_с1 = 800 / 4 = 200 В

5 Напряжения на конденсаторах U_с2 ,U_с3 , U_с4 равно

U_с2 =U_с3 = U_с4 = 2 U_о / n ,

U_с2 =U_с3 = U_с4 = 2 800 / 4 = 400 В

6 Выбираем конденсаторы С₁ = С₂ = С₃ = С₄ = К50-27 – 20 мкФ – 450 В ±20%.

48

6 Коэффициент пульсации схемы равен

к_п = 200∙ I₀ ( n +2) / U_2м ∙С₁ ,

к_п = 200 ∙ 10 ( 4 + 2 ) / 170 ∙ 20 = 3,53 %.

Задачи для самостоятельной работы

1. Определите основные параметры схемы, с удвоением напряжения

( рисунок 2.18 ), если параметры схемы I_ср = 10 мА – среднее значении тока на нагрузке, величина постоянного напряжения на нагрузке U₀ = 600 В. Внутреннее сопротивление диода Ri = 1 Ом.

2. Определите основные параметры схемы, с умножением напряжения в четыре раза ( рисунок 2.17 ), если параметры схемы I_ср = 20 мА – среднее значении тока на нагрузке, величина постоянного напряжения на нагрузке

U₀ = 1000 В.

3. Определите величину среднего значения напряжения U₀ на нагрузке, для двухполупериодной схемы выпрямления, когда в нагрузку включается параллельно конденсатор ( рисунок 2.15 ) ёмкостью С = 200 мкФ, если частота сети f_с = 60 Гц и ток нагрузки равен I_н = 10 мА. Максимальное напряжение U_2м = 24 В на выходе вторичной обмотки трансформатора.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с.88...94.

2 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций.- 4-е изд.- СПб.: КОРОНА принт, 2004 с.326…328,331…332.

3 Бочаров Л.Н. и др. расчёт электронных устройств на транзисторах / Бочаров Л.Н., Жебряков С.К. , Колесников И.Ф. – М.: Энергия, 1978.- 208.с., ил.- с 179…180.

4 Горячева Г.А. , Добромыслова Е.Р. Конденсаторы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 88 с.

5 Полупроводниковые диоды : Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др. Под ред. Н.Н. Горюнова. – М.6 Энергоатомиздат, 1983.- 744 с.

49

Лекция 17

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте принципиальную схему ( а) и временные диаграммы (б)

выпрямителя для заряда аккумулятора

2 Нарисуйте принципиальную схему выпрямителя с ёмкостной нагрузкой (а) и

временные диаграммы (б)

3 Нарисуйте несимметричную схему удвоения напряжения

4 Нарисуйте несимметричную схему умножения напряжения

5 Нарисуйте принципиальную схему однофазной мостовой схемы с

удвоением напряжения

6 Нарисуйте принципиальную схему ( а) работы выпрямителя на

индуктивную нагрузку и временные диаграммы ( б)

7 Напишите ключевые слова к теме лекции 16.

После изучения лекции 17 студент должен знать : принцип работы схем регулирования.

Уметь: выбрать схему регулирования в зависимости от заданных параметров.

План ( логика ) изложения материала