2.5.3 Фазорегуляторы

Фазорегуляторы бывают различного рода : индуктивные, трёхфазные на резисторах, с цепочкой на LCR. Резистивный фазорегулятор в настоящее время не находит применение.

Рассмотри принцип действия фазорегулятора с фазосдвигающей цепочкой RL (Рисунок2.24).

а) б)

Рисунок 2.25- Схема фазовращателя с фазосдвигающей цепочкой (а) и его

векторная диаграмма (б)

На рисунок 2.25 приведены схема фазовращателя с фазосдвигающей цепочкой RL . Ток в цепи RL отстаёт от напряжения U₂ на угол φ, так как

53

цепь RL имеет индуктивный характер сопротивления. Вектор U_R совпадает с вектором тока I, а вектор напряжения U_L перпендикулярен вектору U_R, причём сумма этих векторов равна вектору напряжения U₂. Изменяя сопротивление реостата, можно изменить угол регулирования α

от некоторой величины ( например, α=90˚, когда wL=R_макс, и α=180°, когда R=0). Если одновременно с изменением сопротивления реостат изменить индуктивность дросселя в значительных пределах, то можно получить изменение угла α почти от нуля до 180˚. В качестве дросселя с регулируемой индуктивностью применяют дроссель с насыщением, в котором индуктивность меняется при изменении подмагничивающего тока.

2.5.4 Управляемые выпрямители на тиристорах

а- методы регулирования.

Регулирование выпрямленного напряжения тиристором осуществляется изменением его угла открытия α ( отпирания, управления). Тиристором можно управлять амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым способами.

Амплитудный способ управления состоит в том, что изменяя значение управляющего напряжения U_у ( рисунок 2.26, а) в некоторых пределах, при условии что на аноде положительный потенциал по отношению к катоду, открывается тиристор. Закрывается тиристор при изменении полярности на аноде тиристора. Отсчёт угла α начинается с появления на аноде положительного потенциала по отношению к катоду , что соответствует ( - π/2) для однофазной цепи и ( -π/m ) для многофазных схем. Резистор R ограничивает значение пускового тока в цепи управления. Напряжение на потребителе имеет такую же форму, как и ток через него.

Недостатком способа является :

• большая нестабильность угла открытия ;

• невозможность получения α > π/m ;

• обратный полупериод при отрицательном аноде тиристора будет положительный управляющий электрод . Это как бы приближает положительный заряд к аноду и приводит к резкому увеличению обратного тока I_об.

Фазовый способ управления заключается в подаче на управляющий электрод переменного управляющего напряжения той же частоты, что и анодное. Управляющее напряжение сдвигают по фазе по отношению к анодному напряжению. При этом способе управления угол открытия изменяется в широких пределах. Однако хотя нестабильность угла открытия значительно уменьшена за счёт крутизны нарастания управляющего напряжения, тем не менее она все ещё велика.

Схема фазового управления приведена на рисунке 2.26,б Здесь ФВ- фазовращатель, а VD предохраняет управляющий электрод от попадания на него отрицательной полуволны управляющего напряжения. С этой целью можно вместо диода VD включать диод параллельно участку управляющий электрод – катод, который будет отпираться во время отрицательной полуволны. Вместо фазовращателя с успехом можно применять RC- цепочку с регулируемой величиной постоянной времени заряда. Работа схемы ясна из рассмотрения

54

временных диаграмм, приведенных на рис. 2.26,в. Изменяя угол открытия α , тем самым изменяется площадь сигнала на нагрузке, а следовательно величина напряжения на нагрузке.

а - амплитудное управление ;

б - фазовое управление ;

в - временные диаграммы

Рисунок 2.26 - Схемы управления тиристором малой мощности

Большую крутизну нарастания управляющего напряжения получают, применяя u_у в форме импульса ( пика). Такой способ управления называют импульсно-фазовым, так как для изменения угла открытия тиристора управляющий импульс сдвигают по фазе.

Одна из наиболее перспективных схем с использованием двухбазового диода (однопереходного транзистора) приведена на рисунке 2.27, а. Эта схема проста, работает устойчиво при температурах от —60 до +150° С и, если вместо резистора R₃ включить трансформатор с несколь­кими вторичными обмотками, то можно управлять несколькими ти­ристорами.

Работает схема следующим образом. При возрастании напряжения сети во время положительного полупериода через сопротивление R₁ начинает заряжаться конденсатор С. Напряжение на участке эмиттер — база Б₁ (Э—Б₁ ) составляет η∙U_Б1,Б2

55

(где U_Б1,Б2—мгновенное значение междубазового напряжения; η - для разных образцов двухбазовых диодов VT примерно равно 0,5...0,75). Ток через резисторы R₂ и R₃ очень мал, так как сопротивление междубазового участка Б₁—Б₂ r_бб со­ставляет 5... 10 кОм. Когда и_с достигает

U_эмакс = η∙U_Б1,Б2 + U_Д, (2.12)

где U_д — напряжение включения VT, VT откроется (момент t₁ на рисунке 2.27) и его выходное сопротивление (на участке Э—Б₁) резко упа­дет: дифференциальное сопротивление г_д составит всего 5...40 Ом (вместо большого значения обратного сопротивления запертого р-п перехода). При этом конденсатор С разрядится через сопротивление г_д + R₃ (значение R₃ мало). Падение напряжения на резисторе R₃, равное на­пряжению управления U_у, быстро возрастает до большого значения и в момент t₁ тиристор откроется. При этом падение напряжения на нем скачком упадет до U_пр (порядка одного вольта). Ток разряда конденса­тора С, а вместе с ним и напряжение и_у будут иметь импульсный ха­рактер. VT будет открыт, пока напряжение не упадет до двух вольт (t₂), после чего переход Э—Б₁ запрется. Время t₁ ориентировочно можно определить по формуле

t₁ ≈ R₁∙C∙ ln[( Е - 2) /(Е –U_э.макс )]. ( 2.13 )

где Е — напряжение питания схемы VT. В схеме на рисунке 2.27, оно ста­билизировано стабилитроном VD и добавочным резистором R₄. В (2.13) все значения напряжений надо подставлять в вольтах.

Р исунок 2.27 - Принципиальная схема импульсно –фазового управления (а) ,

временные диаграммы ( б)

56

Если бы VT питался от источника постоянного тока, то возникла бы необходимость в принудительной синхронизации точки t₁ и периода следования Т управляющих импульсов с частотой сети переменного тока. В данном случае питание VТ происходит от сети переменного тока, чем автоматически обеспечивается синхронизация (самосинхрониза­ция) — заряд конденсатора С начинается с началом появления поло­жительной полуволны.

Для защиты схемы управления от ложных включений тиристора при переходных процессах в сети переменного тока включен конденса­тор С.

Важно стабилизировать значение напряжения U_э.макс так, чтобы оно не зависело от температуры окружающей среды. ТКС между базо­вого сопротивления r_бб двухбазового диода составляет около +0,8 %/°С, а ТКН U_д = —2 мв/°С. Подбором значения сопротивления резистора R₂ (оно значительно больше, чем R₃) добиваются взаимной компенсации влияния ТКС и ТКН на значение U_э.макс.

Угол открытия а в такой схеме можно изменять за счет R₁C от 10... ...15 до 180°. При необходимости регулировать выпрямленное напряже­ннее с α ≈ 0 параллельно резистору R₁ следует включать ускоряющую цепочку R_yC_y (показана штриховыми линиями).

Дополнительный материал к лекции 17 для самостоятельной работы

Для большинства потребителей выпрямители должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах, Это достигается применением управляемых выпрямителей.

Однофазный управляемый выпрямитель. Управ­ляемым называют выпрямитель, содержащий управ­ляемые диоды и позволяющий регулировать уровень выпрямленного напряжения. Рассмотрим принцип ра­боты однофазного управляемого выпрямителя на приме­ре схемы с нулевым выводом (рисунок 2.28, а) при активной нагрузке. Вентильными элементами в этой схеме являют­ся тиристоры.

В схеме на неуправляемых вентилях (см. рисунок 2.10, а) напряжение на нагрузке (см. рисунок 2.10, б) соответствует положительным полуволнам синусоидального напряже­ния на вторичной обмотке трансформатора TV, а диоды начинают проводить ток в момент перехода напряжения через нуль

(wt = 0, π, 2π ...). В схеме же нa управляемых тиристорах VS1 и VS2 (рисунок 2.28, а) момент открыва­ния тиристоров определяется моментом подачи на

управ­ляющий электрод импульсов управления U_у (рисунок 2.28, б). При подаче таких импульсов в моменты времени t₁ и t₂ тиристоры открываются с соответствующей задержкой по отношению к моментам пе­рехода напряжения через нуль, т. е. в общем случае с фазовым сдвигом α = wt, где w — угловая частота на­пряжения сети.

Угол α, отсчитываемый от точки естественного отпирания вентилей и выраженный в градусах, называют углом управления. Поскольку управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямленного напряжения, то угол управления для обоих тиристоров остается постоянным.

В интервалы времени 0 — t₁ и π — t₂ мгновенное значение напряжения на нагрузке равно нулю (см. рисунок 2.28, б — штриховые линии), так как оба

57

тиристора заперты, а в моменты времени t₁ и t₂ оно возрастает скачком, изменяясь затем по синусоидальному закону, до момента перехода напряжения через нуль. Изменение угла управления позволяет регулировать выпрямленное напряжение Uо.

Среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления

U_ср. = U₀ = (U_2м /π )∙( 1 + cos α ) , ( 2.14 )

Для неуправляемого режима (α = 0)

U_о = 2U_2m/π, ( 2.15 )

следовательно, при α ≠ 0

U'₀ = U₀ ( l +cos α) /2. ( 2.16 )

Рисунок 2.28 - Схема двухполупериодная управляемая ( а) и её

временные диаграммы

Рисунок 2.29 - Регулировочная характеристика выпрямителя

58

Выражение ( 2.16 ) представляет собой уравнение регулировочной характеристики выпрямителя ( рисунок 2.28, а ). При α = 0 среднее значение выпрямленного напряжения максимально, а при α = π равно нулю, как следует из формулы (2.16 ).

Совершенствование потенциометрического способа регулирования. В экспериментальной электронике источники электропитания с регулируемым вы­ходным напряжением являются очень полезным элементом оборудования. Простейший способ получить регулируемое выходное напряжение состоит в использовании потенциометра, например, так, как показано на рисунке 2.23,б. Потенциометр в схеме установлен так, что может давать любое требуемое напряжение на выходе. Но в этой схеме имеется серьезный не­достаток: наличие потенциометра увеличивает выходное сопротивление ис­точника, так что нагрузочная способность сильно ухудшается.

Практически в этом можно убедиться, собрав схему, приведенную на рисунке 2,23,б под­ключив к ее выходу вольтметр и установив потенциометром выходное напряжение равным 10 В. Если теперь к выходным клеммам подключить рези­стор нагрузки с сопротивлением 1 кОм, то произойдет значительное паде­ние выходного напряжения.

Это ухудшение нагрузочной способности является следствием большого выходного сопротивления потенциометра, которое максимально, когда под­вижный контакт находится около середины. (Эффективное выходное сопротивление можно рассчитать по падению выходного напряжения при под­ключении нагрузки 1 кОм ) Можно, конечно, уменьшить выходное сопротивление, применяя низкоомный потенциометр, но для того, чтобы стабильность напряжения были удовлетворительной, сопротивление потенциометра должно быть настолько малым, что на нем будет рассеивать­ся большая мощность, чем на нагрузке. Значительно лучшее решение состо­ит в уменьшении выходного сопротивления с помощью эмиттерного повто­рителя.

Эмиттерный повторитель в схемах источников питания. Рассмотрим схему на рисунке 2.30, а. Как и прежде, потенциометр обеспечивает регулировку напряжения, но в то же время выходное сопротивление умень­шено благодаря собранному на транзисторе эмиттерному повторителю. Эффективность эмиттерного повторителя можно оценить экспериментально, снова подключая к выходу нагрузку 1 кОм и сравнивая падения напряжения с предыдущим случаем. Выходное сопротивление уменьшается на величину, равную коэффициенту усиления тока транзистора h_21э. Нагруз­кой в эмиттере транзистора является реальная нагрузка источника электропитания. Выходное напряжение на нагрузке равно напряжению, приложенному к базе, минус падение напряжения между базой и эмиттером, равное примерно 0,6 В. С учетом положения в схеме источника питания транзистор эмиттер­ного повторителя иногда называют проходным транзистором.

Конечно, необходимо позаботиться о том, чтобы не были превышены максимально допустимый ток, а также максимально допустимая мощность транзистора в эмиттерном повторителе. В случае применения транзистора ВС 107 максимальный ток равен 300 мА, но более серьезным ограничением является максимальная рассеиваемая мощность, которая составляет только 360 мВт. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, определяется как произве­дение тока нагрузки на падение напряжения на транзисторе.

59

При заданном токе нагрузки, мощность рассеивания в транзисторе тем, выше, чем ниже выходное напряжение. Обычно полезно добавить мощный транзистор, чтобы образовать схему Дарлингтона ( рисунок 2.30,б)

Рисунок 2.30 – Схема регулировки потенциометрическая с

эмиттерным повторителем (а) и с схемой

Дарлингтона (б)

Вопросы для самопроверки

1 Назовите способы регулировки выпрямленного напряжения.

2 Нарисуйте структурную схему регулируемого выпрямителя.

3 Из каких функциональных узлов состоит структурная схема регулируемого

выпрямителя ?

4 Какие элементы применяются для регулировки напряжения на выходе

выпрямителя на мощную мощность?

5 Назовите способ регулирования, когда нужно регулировать напряжение в

некоторых пределах.

6 Назовите способ регулирования, когда нужно регулировать напряжение от 0

до максимального значения.

7 Назовите способ регулирования, когда нужно регулировать напряжение по

переменному напряжению.

8 Назовите основной недостаток схемы регулирования с дросселем

насыщения.

9 Назовите какие бывают виды фазорегуляторов.

10 Расскажите о принципе действия фазорегулятора.

11 Назовите способы управления тиристорами.

12 В чем принцип амплитудного способа регулирования ?

13 В чем принцип амплитудно – фазового способа регулирования ?

14 В чем принцип импульсно – фазового способа регулирования ?

15 В чем недостатки амплитудного способа регулирования ?

16 В чем недостатки амплитудно- фазового способа регулирования ?

17 В чем достоинство импульсно – фазового способа регулирования ?

60

18 Нарисуйте принципиальную схему импульсно – фазового управления на

двухбазовом диоде.

19 Расскажете о работе схемы с импульсно – фазовым управлением на

двухбазовом диоде.

20 Нарисуйте регулировочную характеристику регулироваемого выпрямителя.

Примеры задач до темы лекции 17

Задача 1

Рассчитайте выходное сопротивление схемы ( рисунок 2.30, б) , если ток нагрузки І_н = 2 А, регулировку напряжения можно осуществлять в пределах от

U_о = 0....15 В, сопротивление потенциометра R_п = 5 кОм.

Решение : 1 Мощность рассеивания на транзисторе VT₂ равна

Р_VT2 = І_н ∙( U_{о макс} - U_{о мин} ) ,

Р_VT2 = 2∙ ( 15 – 0 ) = 30 Вт.

Выбираем транзистор типа КТ819 А с параметрами І_{к макс} = 10 А, U_Кэмакс = 25 В, постоянная рассеиваемая мощность Р_{кVT2 макс} = 60 Вт, статический коэффициент передачи h_{21э VT2} = 10.

2 Максимальный ток протекаемый через транзистор VT₁ равен

I_{к VT1} = І_н / h_{21э VT2} ,

I_{к VT1} = 2 /10 = 0,2 А .

3 Мощность рассеивания на транзисторе VT₁ равна

Р_VT1 = І _{к VT1} ∙U_{КЭ VT1},

Р_VT1 = 0,2 15 = 3,0 Вт.

Выбираем транзистор типа КТ815 А с параметрами І_{к макс} = 1,5 А, U_Кэмакс = 25 В, постоянная рассеиваемая мощность Р_{кVT1 макс} = 10 Вт, статический коэффициент передачи h_{21э VT1} = 40.

4 Выходное сопротивление схемы равно, когда R_п1 = 5000 Ом,

R_вых1 = R_п1 / (h_{21э VT1}∙ h_{21э VT2} ),

R_вых1 = 5000 / 10∙ 40 = 12,5 Ом.

Когда R_п2 = 0 Ом , выходное сопротивление схемы ограничивается выходными сопротивлениями эмиттерных переходов транзисторов VT₂ и VT₁,

61

которое можно определить по формуле

R_вых2 = ( 25/ I_эVT2 ) + (25/ I_эVT1 ),

R_вых2 = ( 25/2000) + ( 25 / 200) = 0,14 Ом.

где I_эVT2 = І_н = мА , I_эVT1 = І _{к VT1} = мА.

Выходное сопротивление схемы изменяется в пределах 0,14 Ом до 12,5 Ом.

Задача 2

Определите период следования управляющих импульсов в отсуствии синхронизации в схеме на рисунке 2.27, если величина сопротивлени

R₁ = 10 кОм, ёмкости С = 10 нФ., η = 0,6.

Решение : 1 Период следования управляющих импульсов равен

Т = R₁ ∙ С∙ ln ( 1 / 1 – η ) ,

Т = 10∙ 10³ ∙10 ∙10^-9 ∙ln [ 1 / (1 – 0,6 ) ] = 92 мкС

Задача 3

Определите изменение среднего значения напряжения на нагрузке

( рисунок 2.28 ), если угол регулирования изменяется в пределах α = 0 ....75^о и максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора равно U_2макс.= 28 В.

Решение :

1 Среднее значение напряжения для неуправляемого режима (α = 0)

U_ср = U_о = 2∙U_2m/π,

U_ср = U_о = 2∙ 28 / 3,14 = 17,8 В

следовательно, при α = 75⁰ ,

U' ср = U'₀ = U₀ ( l +cos α) /2 ,

U' ср = U'₀ = 17,8( 1 + cos 75⁰ ) /2 = 12,2 В.

Среднее напряжение на нагрузке изменяется в пределах от 12,2 В до 17,8 В.

62

Задачи для самостоятельной работы

1. Определите период следования управляющих импульсов в отсуствии синхронизации в схеме на рисунке 2.27, если величина сопротивлени

R₁ = 20 кОм, ёмкости С = 100 нФ., η = 0,75

2. Определите изменение среднего значения напряжения на нагрузке

( рисунок 2.28 ), если угол регулирования изменяется в пределах α = 0 ....140^о и максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора равно U_2макс.= 12 В.

3. Рассчитайте выходное сопротивление схемы ( рисунок 2.30, б) , если ток нагрузки І_н = 1 А, регулировку напряжения можно осуществлять в пределах от

U_о = 0....27 В, сопротивление потенциометра R_п = 1 кОм.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с.163...180.

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

3 Стахів П.Г., Коруд В.І. , Гамола О.Є. Основи електроніки : функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. – Львів : : « Новий Світ – 2000»; « Магнолія плюс ». – 2003. – 2008 с. 44..46.

4 М.Х. Джонс Электроника курс. Москва : Постмаркет, 1999. – 528 с. с.213...216.

5 Транзисторы для аппаратуры широкого применения : Справочник / К.М. Брежнев, Е.И. Гантман, Т.И.Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельман.- М.: Радио и связь, 1981. – 656 с.