Лекция №5. Полупроводниковые выпрямители.

Слайд 2. Общая структура выпрямителей. Однополупериодный однофазный выпрямитель. Двухполупериодный однофазный выпрямитель. Двухполупериодный трёхфазный выпрямитель

Слайд 3. Выпрямителями называют преобразователи переменного тока в постоянный. Они широко применяются в энер­гетических и электронных устройствах для питания этих устройств постоянным током.

Для преобразования переменного тока в постоянный ток используют полупроводниковые диоды (вентили). При необходимости регулирования параметров нагрузки вы­прямителя используют тиристоры и IGBT-модули.

В структуру выпрямителя входят (см. на слайде): сило­вой трансформатор, преобразователь переменного тока в однонаправленный (постоянный) пульсирующий ток, сглаживающий фильтр. Нагрузка может быть подклю­чена непосредственно после преобразования переменного тока в постоянный или после сглаживающего фильтра.

Силовой трансформатор служит для преобразования переменного напряжения сети. В зависимости от назна­чения используется повышающий или понижающий на­пряжение трансформатор. Преобразователь переменного тока в пульсирующий постоянный обладает односторон­ней проводимостью используемых полупроводниковых приборов. Сглаживающий фильтр служит для преобра­зования выпрямленного пульсирующего тока в ток, близ­кий по форме к постоянному току.

Современные выпрямители различают по типу ис­пользуемых вентилей, схеме их включения и числу фаз используемой сети переменного напряжения. Выпрями­тели подразделяют также на неуправляемые и управляе­мые. Для питания блоков электронной аппаратуры, как правило, применяют выпрямители малой мощности с питанием от однофазной сети переменного тока, а для силовых устройств — от трёхфазной сети. В тех случа­ях, когда необходимо получить повышенное постоянное напряжение, применяют умножители напряжения. Если первичным источником питания является источник по­стоянного напряжения, то постоянное напряжение с не­обходимыми параметрами вырабатывает специальный преобразователь-инвертор.

Слайд 4. Однофазный трансформатор преобразует переменное напряжение сети и_с (см. на слайде) в переменное напряжение и₂ вторичной обмотки трансформатора. За счёт односторон­ней проводимости диода VD1 ток i₂ имеет место только в положительные полупериоды напряжения и₂ и, следова­тельно, имеет пульсирующую форму (см. на слайде).

Постоянная составляющая этого тока Id определяется средним значением тока i₂ в нагрузке R_H за период. Сред­ним значением тока является среднее арифметическое значение всех мгновенных значений за период в соответствии с выражением (1). Таким образом получаем выражение (2). Т.к. , то получаем соотношение (3). Постоянная составляющая выпрямленного напряже­ния на нагрузке R_H по закону Ома.

Установим соотношение между U_d и действующим значением напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора и₂ в соответствии с выражением (4). Где - действующее значение напряжения и₂.

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер. Разложение такой периодической функции в ряд Фурье показывает, что она состоит из суммы постоянной составляющей (Ud) и чётных гармонических составляющих

Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются коэффициентом пульсации K_П, который равен отношению амплитудного значения основной гармоники выпрямленного напряжения U_m1 к постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряжения в соответствии с выражением (5). Так как для однополупериодного выпрямителя напряжение первой гар­моники равно , а (в соответствии с выражением (4), то коэффициент пульсации для данной схемы выпрямителя будет равен 1,57.

Слайд 5. Наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (см. на слайде), из которой видно, что выпрямитель содержит четыре вентиля VD1…VD4, включенных по мостовой схеме. На одну диагональ моста подаётся переменное напряжение, а с другой диагонали моста выпрямленное напряжение подаётся на нагрузку R_H.

Каждая пара диодов (VD1,VD4 и VD2,VD3) работают поочерёдно. Диоды VD1 и VD4 открыты в первый полупериод напряжения U2, когда потенциал точки А выше потенциала точки В. В интервале от 0 до Т/2 ток протекает от точки «А» через вентиль VD1, резистор RН, вентиль VD4, точку «В», источник U2 (обычно вторичная обмотка трансформатора, которая на схеме не указана) к точке «А». Во второй полупериод потенциал точки «В» выше, чем потенциал точки «А». Ток протекает от точки «В» через вентиль VD2, резистор RН, вентиль VD3, источник U2 к точке «В».

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя, выполненного по мостовой схеме показаны на слайде.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud определяют как среднее за полупериод значение напряжения U2 в соответствии с выражением (6), где – действующее значение U2.

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Форма обратного напряжения для диодов VD1, VD4 показана на временной диаграмме. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения U2m в соответствии с выражением (7). Для мостовой схемы выпрямителя коэффициент пульсации составляет 0,67.

Коэффициент пульсации можно также вычислять по формуле (8), где m – число фаз, для однофазного мостового выпрямителя m=2.

Для питания большинства электронных устройств напряжение с такими пульсациями не обеспечивает нормальную работу, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устройства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами.

В зависимости от принципа действия и используемых элементов сглаживающие фильтры разделяют на активные и пассивные. Простейшим пассивным фильтром является емкостной фильтр. При подключении конденсатора параллельно нагрузке сопротивление нагрузки переменной составляющей тока становится значительно меньше, чем постоянной, поэтому падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снижается, то есть пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

При наличии фильтра коэффициент пульсаций определяется в соответствии с выражением (9).

Эффективность действия сглаживающих фильтров оценивают коэффициентом сглаживания S, который равен отношению коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра в соответствии с выражением (10), где K_П – коэффициент пульсаций без фильтра; K_ПФ – коэффициент пульсаций с фильтром

Слайд 6. Трёхфазные выпрямители по сравнению с однофазными выпрямителями имеют меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и могут использоваться без фильтров. Кроме этого трёхфазные выпрямители имеют более высокие энергетические показатели.

Наибольшее распространение получила трёхфазная мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (см. на слайде). Схема трёхфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили VD2, VD4, VD6, у которых электрически соединены аноды, образуют анодную группу. Вентили VD1, VD3, VD5 с объединёнными катодами образуют катодную группу. Нагрузку включают между точками соединения катодов и анодов вентилей.

В любой момент времени работают два вентиля. В катодной группе в открытом состоянии будет находиться вентиль с наибольшим положительным потенциалом на аноде, в анодной группе работает вентиль, катод которого имеет наиболее отрицательный потенциал.

Мгновенное значение выпрямленного напряжения U_d определяется суммой мгновенных значений двух фазных напряжений, так как эти напряжения действуют согласно по отношению к нагрузке (см. на слайде временную диаграмму).

Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по среднему значению напряжения U_d за период повторяемости π/3 определяется в соответствии с выражением (11), где – действующее значение фазного напряжения; – действующее значение линейного напряжения.

Максимальное обратное напряжение в данном случае равно амплитудному значению линейного напряжения U_2лm и определяется в соответствии с выражением (12).

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения определяют согласно выражению (9) на предыдущем слайде, где m=6, тогда К_П=0,057.

Слайд 8. Заключение:

1. Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

2. Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.

3. По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: - с управляющим p–n-переходом; - с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МОП-транзисторы).

4. МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы.