Анализ временной диаграммы.

Выпрямленное напряжение и ток никогда не достигают нулевого значения, основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты сети питания (m = 6). Магнитопровод трансформатора не подмагничивается, так как ток во вторичной обмотке за период меняет свое направление. Максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде линейного напряжения на вторичной обмотке.

Достоинства схемы:

Коэффициент пульсации равен 57% против 25%; частота пульсаций 300Гц против 150 Гц; расчетная мощность трансформатора всего на 5% превышает мощность выпрямленного тока, в то время как в однополупериодной схеме на 35%; отсутствует подмагничивание магнитопровода.

Недостатки схемы.

Необходимо применять удвоенное число диодов (6 против 3).

Схема Миткевича для выпрямления трехфазного тока.

Схема Миткевича для выпрямления трехфазного тока.

Рис. 3 (а) Первичная обмотка включена Рис. 3 (б) Первичная обмотка включена

треугольником, общей точкой у вентилей звездой, общей точкой у вентилей

служит плюс. служит минус.

Рис. 4. Временные диаграммы выпрямленных напряжений и токов.

Эта схема наиболее простая, вторичная обмотка трансформатора соединяется в звезду с выводом нулевой точки. В каждую фазу включаются вентили, а нагрузка подключается к нулевому выводу и общей точке всех трех вентилей. Первичная обмотка включается треугольником (рис. 3.а) или звездой (рис.3 б). Рассмотрим работу схемы рис.3 а. в каждый данный момент ток проходит через вентиль, у которого положительный потенциал фазы выше, чем потенциал двух других фаз, к которым подключены остальные два вентиля. На рис. 4 видно, что напряжение 3-х фаз изменяется по синусоиде, ток через вентиль В1 в течение промежутка времени t₁ – t₂, затем начнет работать вентиль В2, через который ток будет проходить в течение промежутка времени t₂ – t_3, через В№ в течение промежутка времени t₃ – t_4. затем процесс повторяется . время прохождения тока через каждый вентиль равно 1\3 полного периода Т. На рис. 4. б, в, г показаны диаграммы токов iа_1, i а₂, i а₃ на рис. 4. д диаграмма общего выпрямленного тока iв, который проходит через цепь нагрузки, а также диаграмма выпрямленного напряжения.

Особенность данной схемы – мгновенное значение выпрямленного напряжения никогда не снижается до нуля.

Недостаток схемы: в этих схемах возникают явления вынужденного намагничивания сердечника трансформатора; увеличивается намагничивающий ток в первичной обмотке трансформатора; потери на гистерезис приводят к дополнительным потерям на нагревание.

Контрольные вопросы

1. Достоинства и недостатки схемы Ларионова

2. достоинства и недостатки схемы Миткевича

3. Особенность схемы Миткевича A) первичная обмотка включена треугольником B) ток во вторичной обмотке за период меняет свое направление.

C) мгновенное значение выпрямленного напряжения никогда не снижается до нуля D) вынужденное намагничивание сердечника трансформатора E) вторичная обмотка трансформатора соединяется в звезду

4. Какой элемент включается в каждую фазу вторичной обмотки в схеме выпрямления трехфазного переменного тока.

A) транзистор B) конденсатор C) дроссель D) никакой E) диод

5. В какой схеме происходят дополнительные потери на нагревание A) схеме Ларионова B) в схеме Миткевича C) в схеме выпрямления трехфазного переменного тока. с нулевым выводом вторичной обмотки. D) таких схем нет E) в однотактных транзисторных преобразователях

6. Как включены первичные обмотки трансформаторов в схеме выпрямления трехфазного переменного тока. с нулевым выводом вторичной обмотки A) треугольником B) зигзагом C)звезда \ треугольник D) звездой

E) треугольник \ звезда

7. Как подключаются катоды диодов в схеме выпрямления трехфазного переменного тока. с нулевым выводом вторичной обмотки A) подсоединяется к нулевому выводу вторичной обмотки B) к одному концу нагрузки

C) к магнитопроводу D) к источнику питания E) к первичной обмотке

Лекция 8.

Тиристорные инверторы напряжения. Тиристор в схемах преобразователей напряжения. Однотактные и двухтактные преобразователей напряжения. Принципиальная схема мостового тиристорного инвертора. Принцип действия, временные диаграммы напряжения и тока, характеристики, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, область применения.

В установках гарантированного питания нашли широкое применение тиристорные инверторы, предназначенные для преобразования постоянного напряжения в переменное промышленной частоты. По принципу действия они подразделяются на инверторы тока и напряжения. В тиристорных инверторах в качестве переключающих элементов используются тиристоры. Особенностью тиристорных инверторов является наличие реактивных коммутирующих элементов L и C, предназначенных для запирания тиристоров. Для выключения тиристора необходимо уменьшить его анодный ток до значения меньшего тока удержания, а к промежутку анод – катод приложить отрицательное (обратное) напряжение на время, достаточное для восстановления управляемости тиристора. Промежуток времени t _выкл , который предоставляется схемой для восстановления управляемости тиристора, обеспечивается соответствующим выбором параметров коммутирующих элементов. Он должен быть всегда больше паспортного времени восстановления тиристора t _восст. , иначе тиристор будет отпираться.

В инверторе тиристоры работают в ключевом режиме, для этого в схеме необходимо предусмотреть устройства для их включения и выключения. Включение тиристора обеспечивается устройством управления, которое своевременно подает на его управляющий электрод запускающие импульсы. Следовательно , в устройствах включения тиристора используются небольшие токи и малые мощности. Для выключения (запирания) тиристора необходимо прерывать протекание через него прямого тока на время , достаточное для восстановления его запирающих свойств. Эти условия можно получить применением в инверторе коммутирующего конденсатора, который обеспечивает условия для запирания тиристора путем подачи на анод отрицательного по отношению к катоду напряжения.

Рис. 1 (а) Принципиальная электрическая схема мостового инвертора.

Рис. 1. (б) Временные диаграммы инвертора при активной нагрузке.

Источник напряжения Uп через дроссель L1 большой индуктивности подключается к мосту , образованному тиристорами VS1…VS4. в диагональ моста включена первичная обмотка трансформатора Т1, к вторичной обмотке подключена нагрузка Rн. Параллельно первичной обмотке трансформатора включен коммутирующий конденсатор С1, предназначенный для выключения тиристоров. В схеме имеется управляющее устройство (УУ) А1, которое формирует две последовательности импульсов, фазовый сдвиг между которыми составляет 180⁰. импульсы служат для включения тиристоров. Примем, что время включения тиристора и их обратный ток равны нулю. На рис. 1 (б) показана последовательность управляющих импульсов, кривые токов через тиристоры, кривая изменения напряжения на тиристорах VS2 и VS3.в интервалах времени ω t ₁- ω t₂ , открыты тиристоры VS2 и VS3, а тиристоры VS1 и VS4 заперты. В этом интервале коммутирующий конденсатор С заряжается от источника Uп и правая его обкладка получает положительный потенциал. В момент ω t₂ на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS4 подаются импульсы положительной полярности и тиристоры открываются. При этом конденсатор С оказывается замкнутым накоротко и, правя положительная его обкладка подсоединяется тиристорами к катоду тиристора VS3, а отрицательно заряженная левая - к к аноду тиристора VS2 . в результате увеличиваются токи через тиристоры VS и VS4 и уменьшаются через тиристоры и VS2 и VS3. Ток разряда конденсатора нарастает мгновенно, тиристоры VS2 и VS3 запираются, а ток через тиристоры VS1и VS4 скачком достигает установившегося значения. Напряжение на конденсаторе в течение кратковременного процесса коммутации не успевает заметно изменяться, и поэтому в момент окончания коммутации на левой обкладке сохраняется отрицательный потенциал, в результате чего на анодах тиристоров VS2 и VS3 напряжение становится отрицательным.

К положительному зажиму источника Uп, через тиристор VS1 подключена левая обкладка конденсатора С, и он начинает перезаряжаться. После момента ω t₃ на левой обкладке появится положительный потенциал и анодное напряжение тиристоров VS2 и VS3, находящихся в закрытом состоянии, так же становится положительным. Следовательно, после прекращения тока через тиристоры VS2 и VS3 их анодное напряжение сохраняет отрицательный потенциал только в течение интервала ω t ₂- ω t₃ , называемого углом запирания δ. Инвертор способен работать только в случае, если угол запирания больше произведения длительности выключения тиристора на угловую частоту выходного напряжения. при невыполнении этого условия тиристоры в момент ω t₃ вновь бы открывались и вызывали бы короткое замыкание источника Uп. Этот процесс называется «опрокидывание инвертора». Если условие соблюдается , то тиристоры VS2 и VS3 переходят в открытое состояние в момент времени ω t₄ , когда в первичной обмотке трансформатора протекает ток обратного направления и конденсатор С практически полностью перезаряжен. В этот момент запираются транзисторы VS1, VS4 и процесс повторяется. Таким образом в нагрузке получается переменное напряжение.

Недостатки: 1.Эта схема инвертора чувствительна к изменениям нагрузки. При уменьшении нагрузки и постоянной частоте преобразования выходное напряжение инвертора возрастает. При этом изменяется форма кривой выходного напряжения: из прямоугольной она переходит в треугольную. При увеличении мощности нагрузки, т.е. уменьшении ее сопротивления, снижается постоянная времени разряда конденсатора на нагрузку.

Вывод: параллельный инвертор , коммутирующий конденсатор которого подключен параллельно к нагрузке, может нормально работать только в определенном диапазоне изменения нагрузки. При малых нагрузках возникает опасность перенапряжений, при больших происходит опрокидывание инвертора.

2. схема очень чувствительна к изменению коэффициента мощности нагрузки.

Схема двухтактного инвертора с обратными диодами.

Инвертор с обратными диодами обладает рядом достоинств: устойчивость работы при изменении в широких пределах величины и характера нагрузки, малая масса , габариты. Это достигается благодаря использованию в схеме небольшого коммутирующего конденсатора и дросселя, а также ограничение напряжения на нагрузке и возврат части реактивной энергии нагрузки в источник постоянного напряжения.

Контрольные вопросы.

1. В каком режиме работают тиристоры в инверторе A) насыщения B) отсечки C) ключевой D) перенапряжения E) активный

2. Элементы схем, предназначенные для запирания тиристоров в инверторах A) C – емкости

B) L и C C) L - индуктивности D) резисторы E) трансформаторы

3. Устройство, формирующее две последовательности импульсов в инверторах A) стабилизатор напряжения B) стабилизатор тока C)магнитный усилитель D) диод E) УУ

4. Что происходит в мостовом инверторе при больших нагрузках A) опрокидывание инвертора B) перенапряжение C) инвертор переходит в режим отсечки D) короткое замыкание E) пробой тиристора

5. Какой инвертор имеет устойчивую работу при изменениях характера нагрузки A) мостовой

B) с обратными диодами C) инвертор тока D) инвертор напряжения E) таких инверторов нет

6. На что влияет уменьшение нагрузки в схеме мостового инвертора A) происходит опрокидывание инвертораB) увеличивается угол запирания C) влияния на схему нет D) уменьшается постоянная времени разряда конденсатора E) на форму кривой выходного напряжения

7. Куда подключается нагрузка Rн в схеме мостового инвертора A) к вторичной обмотке трансформатора B) к первичной обмотке трансформатора C) параллельно первичной обмотке трансформатора D) в диагональ моста E) параллельно индуктивности

8. Какие элементы используются в тиристорных инверторах качестве переключающих элементов A) туннельные диоды B) выпрямительные диоды C) тиристоры D) конденсаторы

E) дроссели

9. К чему приводит нарастание тока разряда конденсатора A) ни к чему B) происходит перенапряжение в схеме C) к короткому замыканиюD) к изменению характера нагрузки E) к запиранию определенных тиристоров

Лекция 9.

Транзисторные инверторы напряжения. Принципиальная схема транзисторного инвертора с самовозбуждением и мостового транзисторного инвертора. Принцип действия, временные диаграммы тока и напряжения, характеристики, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, область применения.

Транзисторные инверторы выполняются по однотактной и двухтактной схемам. Основным недостатком однотактных инверторов является подмагничивание трансформатора постоянной составляющей тока, это приводит к увеличению размеров магнитопровода трансформатора и повышенным потерям мощности в нем. Наиболее широко применяются двухтактные транзисторные инверторы. При мощности в нагрузке до нескольких десятков вольт- ампер используются инверторы с самовозбуждением, а при больших мощностях преобразователи с независимым возбуждением. Рассмотрим принцип работы схемы транзисторного инвертора самовозбуждения со средней точкой.

Р ис.1 схема транзисторного инвертора самовозбуждения со средней точкой.

Преобразователь содержит трансформатор, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, два транзистора, работающих в ключевом режиме. При включении преобразователя через резистор R1 и обмотки обратной связи протекают базовые токи транзисторов, достаточные для надежного запуска преобразователя. Из-за неодинаковых параметров транзисторов их коллекторные токи окажутся различными, а следовательно , результирующая намагничивающая сила в обмотках трансформатора не будет равна нулю.

В магнитопроводе трансформатора создается магнитный поток, который индуктирует в обмотках обратной связи эдс такой полярности, что развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзистора с большим начальным коллекторным током (например транзистор VT1) и запиранию транзистора с меньшим коллекторным током. В результате этого лавинообразного процесса коллекторная полуобмотка трансформатора (с числом витков w₁) окажется подключенной через транзистор VT1 к напряжению источника питания U₀, вследствие чего начинается линейное изменение потока в магнитопроводе трансформатора со скоростью, равной: d Ф \ dt = U₀ \ w₁

На рис. 2 - кривая гистерезиса и временные диаграммы токов и напряжений в инверторе с самовозбуждением. На кривой гистерезиса исходное состояние (перед запуском) точка -1. при включении преобразователя рабочая точка трансформатора из-за лавинообразного процесса очень быстро переходит в состояние -2 и начинается сравнительном медленный процесс перемагничивания магнитопровода трансформатора. Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора нарастает от значения – Фs до +Фs , рабочая точка трансформатора перемещается по кривой намагничивания из положения 2 в положение 3. на рис. i^/ _н – ток нагрузки ; i _μ – ток трансформатора; i^/ _к1 - ток коллектора транзистора VT1. На участке 1-3 эти токи изменяются с малой скоростью, характеристика намагничивания трансформатора – близка к прямоугольной. В точке 3 магнитопровод трансформатора начинает насыщаться, индуктивность трансформатора резко уменьшается , это приводит к резкому увеличению скорости нарастания токов i^/ _н и i _μ . при этом коллекторный ток i^/ _к1 транзистора VT1 возрастает до значения Iкm и транзистор VT1 выходит из области насыщения в активную область. Напряжение на транзисторе VT1 увеличивается, а на всех обмотках трансформатора уменьшается. Коллекторный ток i^/ _к1 и намагничивающий ток i _μ начинают уменьшаться, это приводит к уменьшению магнитного потока, полярность эдс на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную. Изменение полярности эдс на обмотках обратной связи приводит к отпиранию транзистораVT2 и запиранию транзистораVT1. снова возникает лавинообразный процесс, в результате которого транзистор VT1 оказывается в режиме отсечки, а VT2 – в режиме насыщения. На втором полупериоде магнитный поток в трансформаторе уменьшается от +Фs до – Фs и на обмотках трансформатора индуктируется эдс противоположной полярности.

Недостаток схемы: частота выходного напряжения зависит от напряжения источника питания.

Достоинство: применение трансформатора с магнитопроводом из материала с прямоугольной петлей гистерезиса позволяет повысить стабильность частоты при изменении тока нагрузки, уменьшить потери мощности на переключение в транзисторах инвертора.

В схеме к закрытому транзистору прикладывается напряжение , равное сумме напряжения источника питания U₀ и эдс, наведенной в коллекторной полуобмотке. Поэтому напряжение на закрытом транзисторе равно удвоенному напряжению источника питания2U₀. Напряжение на закрытом транзисторе может иметь выброс, возникающий в момент его выключения. Повышенное напряжение на закрытом транзисторе накладывает ограничения на напряжение источника питания U₀.

1. От чего зависит частота выходного напряжения транзисторного инвертора с самовозбуждением A) от тока нагрузки B) от напряжения источника питания C) частоты изменения тока D) от постоянной составляющей тока E) ни от чего не зависит

2. Какое напряжение прикладывается к закрытому транзистору в схеме транзисторного инвертора с самовозбуждением A) удвоенное напряжение источника питания B) напряжение источника питания U₀

C) эдс, наведенной в коллекторной полуобмотке D) постоянное напряжение E) переменное напряжение

3. За счет чего уменьшаются потери мощности на переключение в транзисторах инвертора A) за счет уменьшения напряжения источника питания B) за счет увеличения напряжения источника питания C) этого достичь нельзя

D) трансформатор с магнитопроводом из материала с прямоугольной петлей гистерезиса E) поддержание постоянной частоты выходного напряжения

4. Режим работы транзисторов в схеме транзисторного инвертора с самовозбуждением A) ключевой

B) насыщения C) отсечки D) лавинообразный E) стандартный

5. Как влияет лавинообразный процесс на работу транзистора в схеме транзисторного инвертора с самовозбуждением A) приводит к насыщению одного из транзисторов B) к пробою транзистора C) он не влияет на работу транзисторов D) увеличивает величину выходного напряжения E) стабилизирует частоту выходного напряжения

6. К чему приводит изменение полярности эдс на обмотках обратной связи в схеме транзисторного инвертора

A) к отсечке B) ни к чему не приводит C) отпирается один транзистор и запирается другой D) начинается лавинообразный процесс E) переход в ключевой режим

7. Что происходит в схеме транзисторного инвертора при насыщении магнитопровода A) индуктивность трансформатора резко увеличивается B) ни чего не происходит C) пробой транзистора D) создается магнитный поток E) индуктивность трансформатора резко уменьшается

8. Как называется схма, содержащая трансформатор, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, два транзистора, работающих в ключевом режиме. A) ключ B) схема выпрямителя с умножением напряжения C) схема выпрямителя с удвоением напряжения D) преобразователь

E) однотактная схема выпрямления

9. Какие преобразователи используются при больших мощностях A) схема транзисторного инвертора с самовозбуждением B) преобразователи с независимым возбуждением C) для больших мощностей преобразователи не используются D) статические преобразователи E) регулируемые преобразователи

Лекция 10

Схемы выпрямителей с умножением напряжения. Назначение, принципы построения однофазных несимметричных и симметричных схем умножения напряжения. Принцип действия, временные диаграммы, характеристики, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, область применения в источниках электропитания аппаратуры связи.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема умножителя напряжения УН.

Н а вход умножителя подается напряжение от ключевого стабилизатора КС, которое может изменяться от 10 до 50 В. в базы транзисторов VT1 и VT2 поступает напряжение от генератора G1 и они открываются по очереди. Когда открыт транзистор VT2, конденсатор С1 заряжается через диод VД1 до входного напряжения. при закрывании транзистора VT2 и открывании транзистора VT1 к конденсатору С2 прикладывается входное напряжение конденсатора С1, т.е. конденсатор С2 заряжается от двойного входного напряжения. Далее закрывается транзистор VT1 и открывается VT2. через диод VД3 конденсатор С3 заряжается до напряжения конденсатора С2, т. е. на конденсаторе С3 напряжение будет равно удвоенному входному. В следующий цикл закрывается транзистор VT2 и открывается VT1. на конденсаторе С4 поступает утроенное входное напряжение. Если в провода разной полярности включить две семы утроения, то в сумме можно получить 6-ти кратное увеличение напряжения. в реальных схемах увеличение напряжения будет немного меньше из-за падений напряжения в полупроводниковых элементах и частичного разряда конденсаторов в паузах переключения транзисторов.

Рис. 2. Схема выпрямителя с умножением напряжения.

С этой схеме в первый полупериод напряжение сети, когда открыт вентиль VD1, заряжается конденсатор С1 до напряжения U_2m. Во второй полупериод , когда открыт вентиль VD2, заряжается конденсатор С2 до напряжения, равного сумме амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора и напряжения на С1,т.е. 2 U_2m. В третий полупериод, когда напряжение на VД1 равно нулю, к диоду VД2 прикладывается обратное напряжение 2U_2m. В четвертый полупериод до напряжения 2 U_2m заряжается конденсатор С4, и т.д. таким образом в схеме напряжение на всех конденсаторах равно 2 U_2m (кроме С1, на котором U_2m). Обратное напряжение на всех диодах равно 2 U_2m. Выходное выпрямленное напряжение на нагрузку можно снимать с двух последовательно включенных конденсаторов С1 и С3 или С2 и С4. в первом случае получим суммарное напряжение 3U_2m, во втором - 4U_2m. Если число звеньев из VД и С в схеме рис. 2. продолжить, можно получить суммарные выходные выпрямленные напряжения в верхнем ряду, равные n₃U_2m , а в нижнем ряду (n₃ + 1) U_2m, где n₃ – нечетное число звеньев VД и С, равное 1,3,5, и т.д. Недостатки схем умножения напряжение: является сильная зависимость выходного напряжения от изменения тока нагрузки. Применяются эти схемы при токах нагрузки, меньших одного миллиампера.

Используются в устройствах электропитания аппаратуры систем передачи местной связи (в блоках дистанционного питания ДП)

Лекция 11.

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Сглаживающие фильтры. Влияние пульсаций на работу аппаратуры связи. Принципиальные схемы LC и RC фильтров. Активные фильтры. Принцип действия, временные диаграммы напряжения и тока, характеристики, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, область применения.

Мгновенные значения выпрямленного напряжения не остаются постоянными. Величина пульсаций также как и ее характер зависит в основном: от схемы выпрямления, от того подается ли к выпрямителю неискаженное переменное напряжение или оно уже на входе выпрямителя имеет искаженную форму, от характера нагрузки. На пульсацию выпрямленного напряжения оказывает существенное влияние не только индуктивность в анодных цепях, но и другие причины. Введение в нагрузку реактивных элементов существенно влияет на угол перекрытия вентилей, что отражается на гармоническом составе выпрямленного напряжения. пульсации напряжения в токораспределительной сети предприятия связи являются результатом работы как электропитающей установки, так и самой аппаратуры связи. Допустимые значения пульсации напряжения приводятся в нормативной документации.

Для устранения нежелательного влияния переменной составляющей напряжения в цепях питания применяются фильтры, которые должны вносить максимально большое затухание для постоянной составляющей напряжения.

Пульсация напряжения питающих устройств может достигать значений, при которых нормальная работа аппаратуры связи невозможна. Поэтому выпрямительные устройства и генераторы постоянного тока снабжаются сглаживающими фильтрами.

Пульсация оценивается относительной величиной , равной отношению амплитуды k - й гармоники пульсации U_mk к среднему значению выпрямленного напряженияU₀. эта величина обозначается K_nk = U_mk \ U₀ и назывется коэффициентом пульсации по k - й гармонике.

Сглаживающим фильтром выпрямителя называют устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения.

Необходимость применения фильтров возникает , когда пульсация напряжения на нагрузке в отсутствии фильтра превосходит величину, допустимую для нормального функционирования аппаратуры потребителя. Фильтры выпрямителя состоят из элементов L,C,R в различных их сочетаниях. Элементы фильтра, включенные последовательно с нагрузкой, должны обладать большим сопротивлением для переменной составляющей тока и малым – для постоянной. Каждый сглаживающий фильтр должен обеспечивать снижение пульсации выпрямленного напряжения до заданного уровня, т.е. должен обладать необходимым коэффициентом фильтрации q_n (коэффициент сглаживания). Этот коэффициент показывает, во сколько раз коэффициент пульсации на входе фильтра K_{n1 вх} больше коэффициента пульсации на выходе фильтра K_{n1 вых} . Падение напряжения , а следовательно , потери мощности в фильтре должны быть как можно меньше. Для обеспечения наиболее эффективного действия сглаживающего фильтра расчет его ведется так, чтобы изменение тока нагрузки не оказывало существенного влияния. Если фильтр предназначается для установок с переменной нагрузкой, то он рассчитывается на максимальный ток нагрузки.

Н а рис. 1.(а) индуктивный сглаживающий фильтр; (б) – фильтр RC.

Индуктивный фильтр представляет собой делитель напряжения, образованный последовательно включенными сопротивлениями X_L и R_н. при этом индуктивное сопротивление X_L >> R_н, а активное сопротивление дросселя r_др <<R_н. Сглаживающий фильтр с одним индуктивным элементом не нашел широкого применения, так как его свойства сильно зависят от величины и характера нагрузки. Недостатком является громоздкий дроссель, стальной сердечник которого должен иметь воздушный зазор. Он применяется при неизменном токе нагрузки, так как его коэффициент фильтрации в большой степени зависит от величины Rн.

Ф ильтр на рис. 1(б) обычно применяется при малых токах нагрузки, где с потерями в резисторе можно не считаться.

Фильтр на рис. 2. тем сильнее сглаживает пульсацию, чем больше индуктивное сопротивление дросселя и чем меньше

сопротивление цепи, содержащей конденсаторы, т.е. чем выше

емкость С. Особенность дросселей, применяемых в

сглаживающих фильтрах состоит в том, что сердечник имеет немагнитный зазор, который при протекании постоянного тока позволяет поддерживать индуктивность дросселя в заданных пределах. Кроме однозвенных фильтров используются многозвенные, это фильтры состоящие из нескольких звеньев. В этих фильтрах целесообразно применять одинаковые элементы (L и C) во всех звеньях , так как этим достигается однотипность используемых деталей (экономия). Некоторые разновидности фильтров: фильтры с резонансными контурами (последовательным и параллельным); сглаживающие фильтры с аккумуляторной батареей;

Фильтр П – образный представляет собой два последовательно включенных фильтра: емкостного и Г – образного LС или RС. Применяется П – образный фильтр при токах в нагрузке до нескольких ампер.

Требования, предъявляемые к фильтрам:

- фильтр должен иметь коэффициент пульсации на выходе, обеспечивающий нормальную работу потребителя;

- падение напряжения в фильтре от постоянной составляющей тока нагрузки должно быть минимальным;

- перенапряжение и броски тока при включении выпрямителя в сеть переменного тока не должны превышать допустимых значений;

- фильтр должен иметь частотную характеристику, при которой не будут вноситься искажения в работу потребителя;

- фильтр при выполнении предъявляемых к нему требований, должен иметь минимальные габариты, массу, стоимость и максимальную эксплуатационную надежность.

Классификация пассивных фильтров выпрямителей, состоящих из элементов L, C, R.

В зависимости от схемы построения звена: емкостной С; индуктивный L; Г – образный L C,

Г – образный RС; П – образный С L C; П – образный СRС

В зависимости от числа звеньев: однозвенные; многозвенные.

Контрольные вопросы

1. Устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения A) трансформатор B) выпрямительный диод C) стабилитрон D) тиристор E) cглаживающий фильтр

2. Как называется коэффициент, показывающий снижение пульсации выпрямленного напряжения

до заданного уровня A) коэффициент сглаживания B) коэффициент выпрямления C) коэффициент усиления коэффициент стабилизации E) такого понятия нет

3. Набор элементов индуктивного сглаживающего фильтра A) Г – образный L C B) последовательно включенные сопротивления X_L и R_н C) катушку индуктивности D) состоит из элементов L, C, R E) таких фильтров нет

4. При каких токах в нагрузке применяется П – образный фильтр A) при токе в нагрузке равным нулю B) до нескольких ампер C) при любых D) до сотен ампер E) до нескольких миллиампер

5. Какая особенность дросселей, применяемых в сглаживающих фильтрах A) используются витые сердечники B) сердечник имеет немагнитный зазор C) сердечник прямоугольной формы D) стальные сердечники E) сердечники торроидальные

6. Что имеют в своем составе выпрямительные устройства и генераторы постоянного тока в обязательном порядке A) стабилитроны B) транзисторы C) сглаживающие фильтры D) конденсаторы E) дроссели

Лекция 12

Стабилизация напряжения и тока. Параметрические и компенсационные стабилизаторы. Назначение, принцип построения и принцип действия параметрических стабилизаторов, область применения. Принципиальные схемы компенсационных стабилизаторов с последовательной и параллельной коррекцией. Принцип действия, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, характеристики и область применения.

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания питающих напряжений, изменение потребляемой нагрузкой мощности, колебания частоты тока сети, изменения температуры окружающей среды и др.

Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности напряжения питающей сети. Большая часть потребителей питается промышленной сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц. Колебания напряжения такой сети могут достигать -15 …. + 5 % от номинального значения. При питании устройств от маломощных энергетических сетей или от автономных источников колебания напряжения могут достигать – 20 …. + 10 %, а иногда и более.

Изменение мощности, потребляемой аппаратурой, вызывает изменение тока потребителя. Изменение тока приводит к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении соединительных проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем большими будут изменения напряжения при изменении тока нагрузки.

Колебания частоты тока сети могут привести к изменению выходного напряжения и изменению пульсации в источниках постоянного тока. Изменение температуры окружающей среды может вызвать изменение выходного напряжения (тока) из-за изменения параметров элементов, используемых в устройствах электропитания. Назначением стабилизаторов напряжения (тока) является уменьшение влияния всех дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы разделяются в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения или (тока). В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет нелинейности их воль- амперных характеристик.

Данные характеристики приведены на рис. 1.

В ольт – амперные характеристики нелинейных элементов:

1- для стабилизации напряжения; 2 - для стабилизации тока.

Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели с насыщенным ферромагнитным сердечником. Для стабилизации постоянного напряжения - кремниевые стабилитроны и стабисторы. В стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока – функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные стабилизаторы.

Основными параметрами, с помощью которых оцениваются стабилизаторы: нестабильность выходного напряжения или тока; выходное сопротивление; уровни пульсаций на входе и выходе; температурный коэффициент; к.п.д.

Стабилизаторы с непрерывным регулированием. В зависимости от способа включения регулирующего элемента разделяются на последовательные и параллельные. В последовательных стабилизаторах регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в параллельных – параллельно нагрузке. В стабилизаторах постоянного напряжения регулирующий элемент может быть включен в цепь как постоянного, так и переменного тока через выпрямитель и фильтр. При изменении u_вх изменяется напряжение на нагрузке u_вых и на выходе измерительного элемента ИЭ1 появляется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем У, воздействует на регулирующий элемент РЭ. Напряжение на нем изменяется , а выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению.

Импульсные стабилизаторы. Также как и непрерывные бывают последовательные т параллельные. В зависимости от способа управления широтно-, частотно- , фазо-, амплитудно-импульсные, релейные. Наибольшее распространение – с широтно- импульсным способом управления. Непрерывно- ключевые стабилизаторы. Они содержат два контура регулирования – непрерывный и импульсный.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Наиболее широко используются стабилизаторы параллельного типа с использованием кремниевых стабилитронов.

1 . ВАХ стабилитрона

2. схема простейшего параметрического стабилизатора. Схема простейшего параметрического стабилизатора состоит из стабилитрона VD и резистора R. При небольшом увеличении выходного напряжения ток через стабилитрон VD резко увеличивается , что приводит к увеличению тока через резистор R. На резисторе увеличивается падение напряжения , которое вычитается из напряжения источника питания, и напряжение на нагрузке остается неизменным. Если же происходит уменьшение напряжения на нагрузке, то это приводит к уменьшению тока, протекающего через стабилитрон VD и резистор R, падение напряжения на резисторе R уменьшается и напряжение на нагрузке остается неизменным.

Для повышения коэффициента стабилизации параметрические стабилизаторы можно включать последовательно, при этом результирующий коэффициент стабилизации будет равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных каскадов. При последовательном включении стабилизаторов значительно уменьшается к.п.д. стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы применяются в маломощных цепях, где требуются высокостабильные источники напряжения.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием.

Компенсационные стабилизаторы с непрерывным регулированием – это система автоматического регулирования , в которой с заданной степенью точности поддерживается выходное напряжение Uвых. Стабилизатор содержит регулирующий элемент РЭ, схему сравнения СС и усилитель У в цепи обратной связи. Входное напряжение через регулирующий элемент поступает на выход стабилизатора. Стабилизация выходного напряжения происходит за счет изменения падения напряжения на РЭ. Падение напряжения на РЭ уменьшается при снижении выходного напряжения Uвых и возрастает при его увеличении. В устройстве сравнения происходит алгебраическое суммирование выходного напряжения и стабильного опорного напряжения, после этого сигнал ошибки поступает в усилитель, который этот сигнал усиливает и подает на РЭ.

В простейшем стабилизаторе функцию РЭ выполняет транзистор VT1, транзистор VT2, резисторы R2…R5 и стабилитрон VD1 входят в состав устройства сравнения усилителя.

К омпенсационные стабилизаторы непрерывного действия наряду со стабилизацией выходного напряжения подавляют так же пульсации входного напряжения на частотах до нескольких килогерц. Компенсационные непрерывные стабилизаторы в основном применяются, когда мощность нагрузки невелика и требуется высокая стабильность напряжения при суммарном воздействии дестабилизирующих факторов, а так же при близких значениях напряжений и нагрузки.

1. Структурная схема компенсационного стабилизатора непрерывного действия.

2. электрическая схема простейшего транзисторного компенсационного стабилизатора непрерывного действия Контрольные вопросы:

1. Может ли изменения температуры окружающей среды, вызывать изменение напряжения A) да B) нет C) только изменение тока D) только изменение сопротивления E) только изменение мощности.

2. Как включаются параметрические стабилизаторы для увеличения коэффициента стабилизации A) параллельно B) последовательно C) от способа включения параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не зависит D) через фильтр E) через усилитель

3. Какие элементы используются в семах стабилизации постоянного напряжения A) полевые транзисторы B) биполярные транзисторы C) полевые транзисторы и биполярные D) выпрямительные диоды E) кремниевые стабилитроны и стабисторы

4. Элементы, используемые для стабилизации тока A) кремниевые стабилитроны и стабисторы B) тиристоры

C) полевые транзисторы и биполярные D) варикапы E) туннельные диоды

Лекция 13.

Импульсные стабилизаторы и параметрические стабилизаторы переменного напряжения.

Типы импульсных преобразователей применяемых в стабилизаторах. Принципиальная схема стабилизатора постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем. Использование феррорезонанса напряжений и токов в стабилизаторах. Принципиальные схемы феррорезонансных стабилизаторов напряжения. Принцип действия, достоинства и недостатки рассматриваемых схем, характеристики и область применения.

Импульсные стабилизаторы. Также как и непрерывные бывают последовательные и параллельные. В зависимости от способа управления широтно-, частотно- , фазо-, амплитудно-импульсные, релейные. Наибольшее распространение – с широтно- импульсным способом управления.

Отличительной особенностью импульсных стабилизаторов является работа регулирующего элемента в ключевом режиме, что позволяет уменьшить рассеиваемую на нем мощность, повысить к.п.д. схемы и улучшить массогабаритные показатели источника электропитания.

С труктурная схема импульсного стабилизатора с ШИМ приведена на рис.

Регулирующим элемент управляет широтно-импульсным модулятором (ШИМ). На вход регулирующего элемента с постоянной частотой поступают импульсы определенной длительности. Регулирующий элемент периодически подключает источник постоянного тока к входу фильтра. Напряжение на входе фильтра представляет собой последовательность однополярных прямоугольных импульсов определенной длительности , имеющих постоянную частоту. Фильтр отфильтровывает переменную составляющую, и на его выходе выделяется постоянная составляющая напряжения. при изменении выходного напряжения, вследствие изменений напряжения на входе или тока нагрузки, на выходе ИЭ (измерительный элемент) появляется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем, воздействует на ШИМ, что вызывает изменение длительности импульсов на его выходе, а следовательно, и на входе фильтра. В результате постоянная составляющая напряжения на выходе стабилизатора возвращается к своему первоначальному значению. В стабилизаторах с частотно – импульсным управлением изменение выходного напряжения приводит к изменению выходного частоты управляющих импульсов при их постоянной длительности, за счет чего выходное напряжение поддерживается неизменным. В стабилизаторах с фазовым управлением изменение выходного напряжения приводит к изменению фазы импульсов, управляющих РЭ. В стабилизаторах с амплитудной модуляцией при изменении сигнала рассогласования изменяется амплитуда импульсов на выходе РЭ при их неизменной длительности и постоянной частоте. В релейных стабилизаторах напряжения цепь обратной связи содержит элемент, имеющий релейную характеристику. Релейный элемент запирает РЭ (регулирующий элемент), когда выходное напряжение стабилизатора превышает напряжение его срабатывания, и открывает его, когда напряжение на выходе станет меньше напряжения отпускания. В результате напряжение на выходе поддерживается неизменным в определенном пределе, определяемом разностью между напряжениями срабатывания и отпускания релейного элемента.

В импульсных стабилизаторах РЭ может быть включен в цепь переменного тока. Такие схемы применяются для стабилизации как постоянного так и переменного напряжений.

Структурная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения с РЭ, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора представлена на рис. 2. а) схема б) зависимости u₁ (t) u₀(t).

Регулирующий элемент управляется широтно-. импульсным модулятором через УС. Частота переключения регулирующего элемента во много раз превышает частоту тока сети. Амплитуда низкочастотной составляющей напряжения на первичной обмотке трансформатора (рис.б) будет изменяться при изменении длительности импульсов, поступающих на вход регулирующего элемента, за счет чего постоянная составляющая выходного напряжения будет поддерживаться неизменной. По сравнению с со стабилизаторами с непрерывным регулированием импульсные стабилизаторы имеют более высокий кпд и улучшенные массогабаритные

характеристики. Несколько хуже их динамические параметры, они являются источниками сетевых и радиопомех.