Лекція № 20 (2 год.)

Тема 2.3 Електронні випрямлячі і стабілізатори

МЕТА:  

- навчальна: ознайомити студентів з джерелами електроживлення (випрямлячами, згладжувальними фільтрами та стабілізаторами напруги);

- розвиваюча: розширити світогляд студентів, поглибити вивчене для систематизації та узагальнення фундаментальних знань щодо основних схем випрямлячів, згладжу вальних фільтрів, параметричних та компенсаційних стабілізаторів; розвивати вміння самостійно застосовувати знання до вирішення практичних завдань;

- виховна: виховувати увагу, логічне мислення, впевненість у вирішенні практичних завдань.

ОБЛАДНАННЯ: дошка, схеми, характеристики

ПЛАН

1 Загальні питання побудови джерел живлення

2 Однофазні випрямлячи

3 Стабілізатори напруги живлення.

Зміст лекції

1 Загальні питання побудови джерел живлення

Випрямлячі - це пристрої, що служать для перетворення змінного струму в постійний.

На рисунку 2.32 представлена структурна схема випрямляча, до складу якого входять:

- силовий трансформатор, пристрій для перетворення (зазвичай зниження) змінної напруги живлення;

- вентиль, що володіє однобічною провідністю і забезпечує перетворення змінного струму в випрямленний (струм одного напрямку);

• згладжувальний фільтр, який служить для перетворення випрямленого струму в струм, близький за формою до постійного.

Рисунок 2.32 - Структурна схема випрямляча з осцилограмами напруг

Для перетворення змінного струму в постійний служать електричні вентилі різних типів: електронні (кенотрони), напівпровідникові (германієві, кремнієві і ін.), Іонні (газотрони, тиратрони та ін.).

Напівпровідниковий вентиль (діод) характеризується головним чином середнім допустимим значенням випрямленого струму і амплітудою зворотного напруги.

Середнє значення струму визначає тепловий режим вентиля, так що підвищення середнього значення струму поведе до перегріву вентиля.

Амплітуда зворотної напруги - це те максимальне напруга, яке може бути докладено до вентиля в зворотному (непроводящем) напрямку, не піддаючи його небезпеки пробою.

У випрямлячах вентилі з'єднують за певними схемами.

2 Однофазні випрямлячи

На рисунку 2.33 представлена схема однонапівперіодного випрямляча.

Рисунок 2.33 - Схема однонапівперіодного випрямляча

Змінну синусоїдну напругу u₂ (рис.2.34, а) подають на діод Д. За рахунок однобічної провідності діодів струм i₂ (рис. 2.34, б) проходить тільки в позитивні напівперіоди напруги u₂ і, отже, має імпульсну форму. Постійна складова цього струму I₀ визначається середнім значенням струму i₂, що проходить через навантаження R_Н за напівперіод.

Рисунок 2.34 - Напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора (а), випрямлений струм i₂, постійна складова струму I₀ (б)

Однонапівперіодна схема рідко використовується в сучасних випрямлячах, так як вторинна обмотка трансформатора працює тільки половину періоду, і тому габаритна потужність трансформатора повинна перевищувати потужність випрямленого струму приблизно в 3 рази. Зворотна напруга на діоді більш ніж в 3 рази перевищує випрямлену напругу на навантаженні, що накладає обмеження на застосовані діоди. Випрямлена напруга має дуже високий рівень пульсацій, що ускладнює його згладжування.

Двонапівперіодні схеми випрямління широко застосовуються в джерелах електроживлення середньої потужності. Перевагою схем є удвічі більше значення постійної складової вихідної напруги і удвічі вища частота пульсації (рівна 100 Гц при частоті живлячої напруги 50 Гц) в порівнянні зі схемою однонапівріодного випрямління. Чим вище частота пульсації, тим легше вона фільтрується (згладжується). Розрізняють одно- і двотактні схеми двунапівперіодних випрямлячів.

Однотактними називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм протікає один раз за період напруги мережі і лише в одному напрямку.

Двотактними називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм за період напруги мережі протікає двічі і в різних напрямках. Кратність пульсацій у двотактних випрямлячів дорівнює подвоєному числу фаз.

Схему однотактного двунапівперіодного випрямляча з нульовим виводом (або середнім) (рис.2.35) можна розглядати як два паралельно включених однонапівперіодних випрямляча на діодах VD1, VD2, працюючих на загальне навантаження R_Н, живлення яких здійснюється від двох однакових протифазних напруг U₂ і U'₂ , що забезпечує вторинна обмотка трансформатора з середнім виводом.

а) б)

Рисунок 2.35 - а) двонапівперіодний випрямляч з нульовим виводом; б) часові діаграми

У даній схемі діод VD1 відкритий під час першого напівперіоду і закритий під час другого, діод VD 2 закритий під час першого напівперіоду і відкритий під час другого.

Зниження типової потужності і краще використання трансформатора пояснюється відсутністю вимушеного підмагнічення осердя постійною складовою струму вторинної обмотки.

Середнє значення випрямленого струму і напруги в два рази більше, а пульсації значно менше, ніж у однонапівперіодних випрямлячів.

Недоліки однотактної двонапівперіодной схеми з нульовим виводом: наявність виводу від середини вторинної обмотки, кожна половина якої містить однакове число витків. При цьому сумарне число витків удвічі більше, ніж для однополуперіодного випрямління (полягає в труднощі виготовлення трансформатора з двома симетричними напівобмотками).

Вказаного недоліку позбавлена двотактна схема двонапівперіодного випрямління (мостова схема випрямляння), для живлення випрямлячів якого використовується вторинна обмотка трансформатора без виводу середньої точки (рис.2.36) . Кількість витків при цьому удвічі менше, ніж для однотактной схеми при однаковому значенні вихідної напруги, але кількість діодів удвічі більше.

Протягом першого напівперіоду напруги u₂ вентилі VD1 i VD3 відкриті і в резисторі навантаження виникає струм і₀. В цей час вентилі VD2 i VD4 закриті. У інший напівперіод напруги вентилі VD1 i VD3 закриваються, а VD2 i VD4 відкриваються.

Струм по навантаженню протікає в тому ж напрямі, що і в перший напівперіод.

а) б)

Рисунок 2.36 – а) мостова схема випрямлення; б) часові діаграми

Часові діаграми роботи мостового випрямляча мають той же вигляд, що і діаграми роботи двонапівперіодного випрямляча з нульовим виводом рис.2.36,б. Виключення складає залежність u_а (ωt), оскільки між анодом і катодом вентиля в непровідному напрямі прикладена напруга вторинної обмотки трансформатора, тобто U_{зв max} зменшується в два рази:

Типова потужність трансформатора в мостовій схемі менше, ніж в інших схемах:

Р_Т = Р₁ = Р₂ = 1,23 Р₀ .

Величини випрямлених напруг і струму, а також коефіцієнт пульсацій мають такі ж значення, що і в двонапівперіодної схемі з нульовим виводом.

Зворотна напруга, що одночасно прикладається до двох діодів різних плечей моста, удвічі менша, ніж для однотактной схеми.

Якщо значення зворотної напруги перевищить допустиму зворотну напругу застосованого діода, відбудеться електричний пробій діода, порушиться робота схеми випрямляча.