Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнический практикум. Ч.2. Учебно-методическое пособие
.pdf
В электронных (вакуумных) приборах электрический ток между
электродами образуется электронным потоком, созданным приложенным полем. Существование поля электронного облака приводит к
значительному внутреннему сопротивлению электронного вакуумного прибора (порядка нескольких кОм и более). По этой причине вакуумные электронные диоды даже при высоких напряжениях имеют
малые анодные токи.
Ионные вентили включают в себя баллоны, которые после откачивания из них воздуха заполняются парами ртути (ртутный выпрямитель) или инертными газами (газотрон). Давление в баллонах
составляет 10-2–10-3 мм рт. ст. (в вакуумных — 10-3–10-5 мм рт. ст.).
Летящие с большой скоростью от катода к аноду электроны, сталкиваясь с молекулами заполнителя, расщепляют их на положительные и
отрицательные ионы. Отрицательные ионы совместно с электронами
летят к аноду, а положительные ионы — к катоду. В результате этого
внутреннее сопротивление таких вентилей значительно меньше, чем у
вакуумных диодов, и составляет величину от десятых долей Ома до
сотен Ом.
Однако в последнее время наиболее широкое применение находят полупроводниковые вентили. Их преимуществами являются высокий КПД, надежность, долгий срок службы, простота обслуживания, компактность. Принцип действия основан на осуществлении
электронно-дырочного перехода (р-n перехода), который образуется
на границе раздела двух слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости.
Классификация выпрямительных схем.
Параметры выпрямителей
Все схемы выпрямления можно разделить по следующим основным признакам: число фаз в первичной обмотке трансформатора (одна, три), число фаз во вторичной обмотке (одна, три или шесть), число
импульсов тока во вторичной обмотке трансформатора за период (одно- и двухтактные выпрямители), тип схемы соединения вентилей
(схема с последовательным включением вентиля и вторичной обмотки трансформатора, мостовые и каскадные схемы), одно- и двухполупериодные схемы выпрямления.
На практике наиболее распространенными схемами выпрямления
являются схемы, питающиеся от однофазного источника переменного
31
тока: однополупериодные, двухполупериодные и однофазная мосто-
U
1
U2 R
Н
V V
0
Тр
Д
вая схемы.
Свойства любого выпрямительного устройства зависят от его типа, характера нагрузки и типа применяемого сглаживающего фильтра.
Анализ работы такого устройства в целом весьма сложен, поэтому
вначале рассмотрим работу однополупериодного выпрямления, работающего с чисто активной нагрузкой или активной нагрузкой с емкостным фильтром. При таком упрощении будем считать, что трансформатор и вентиль идеальны, то есть в первичной и вторичной
обмотках трансформатора форма напряжения соответствует синусоидальной, сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а
в обратном — бесконечно велико.
Однополупериодная схема выпрямления для случая чисто активной нагрузки представлена на рисунке 7.2 и состоит из трансформатора Тр, вентиля Д и нагрузки Rн. Напряжения U1 и U2, как
известно из теории трансформаторов, сдвинуты по фазе на угол,
близкий к 180°.
Учитывая то, что в прямом направлении сопротивление вентиля
близко к нулю, то Uн = U2. Во время отрицательной полуволны сопротивление вентиля велико, поэтому ток через нагрузку и напряжение
на нагрузке равен нулю.
Рис. 7.2. Однопериодная схема выпрямления
Так как во вторичной обмотке имеется постоянная составляющая
тока, то происходит вынужденное намагничивание сердечника
трансформатора, то есть сердечник обладает определенной величиной
постоянной (по направлению) намагниченности. Наличие в магнитопроводе постоянной по направлению составляющей магнитного
32
потока приводит к увеличению тока в первичной обмотке, который
tUU
m
sin
22
t
R
U
i
Н
m
sin
2
2
0
22
2
0
2
0
1
sin
11
T
m
H
m
T
H
m
I
R
U
tdt
R
U
T
idt
T
I
m
H
U
RIU
2
00
22
2
0
45.0318.0 UU
U
U
m
m
в отличие от тока во вторичной обмотке является переменным. Все
это приводит к изменению формы напряжения (она отличается от синусоидальной), к увеличению потерь (в сердечнике, в обмотках), к
уменьшению КПД. При отрицательной полуволне можно считать, что
все напряжение на зажимах вторичной обмотки приложено к электродам вентиля. Максимальное значение этой разности потенциалов
является амплитудой обратного напряжения, приходящегося на вентиль U
обр
.
Исследовать работу выпрямителя — это значит:
проанализировать поведение внешней (нагрузочной) характе-
ристики выпрямителя (зависимость Uн = f(Iн));
измерить напряжение и токи в обмотках трансформатора;
измерить напряжение на выводах диода и ток, идущий через
него.
Если последовательно с вентилем включено сопротивление RН, то
сопротивление этого участка можно считать RН, так как считаем, что
сопротивление вентиля равно нулю. Если входящее переменное
напряжение имеет синусоидальную форму:
, то выпрям-
ленный ток (принимающий форму синусоиды только на половине периода) равен
.
Эффект выпрямления переменного тока будет лишь в том случае,
когда среднее за период значение не равно нулю.
Найдем среднее за период значение выпрямленного тока:
, (7.2)
где I2m — амплитудное значение тока в импульсе.
Постоянное напряжение на нагрузке равно
.
Без нагрузки напряжение на зажимах выпрямителя равно среднему за период значению положительной полуволны синусоиды:
, где U2 — действующее значение пере-
менного напряжения.
33
С увеличением тока нагрузки напряжение на ней линейно падает
02
UUU
m
2
sin
22
2
0
22
2
0
2
m
T
m
T
I
tdtI
T
dti
T
I
I
I
I 636.0
2
0
n
m
n
mm
n
tnU
t
UU
u
1
cos2
1cos
2
2
2
1
2
22
0
1
U
U
km
0
02
1
57.122U
UU
U
m
m
на величину падения напряжения на вентиле. Из схемы на рисунке 7.2
видно, что в отрицательный полупериод, когда вентиль закрыт, он
находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обратное напряжение, действующее на вентиль,
равно
, то есть обратное напряжение на вентиле более
чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.
Действующее значение импульсов тока во вторичной обмотке
трансформатора равно
С учетом выражения (7.2)
.
.
Разложим выражение для импульсов напряжения на нагрузке в
ряд Фурье:
, (7.3)
где n = 2, 4, 6…
Первый член этого ряда — постоянная составляющая, равная U0,
второй — первая гармоника, имеющая частоту напряжения сети,
остальные члены — переменные составляющие более высоких частот
с быстро уменьшающейся амплитудой, поэтому при расчетах выпрямителей их можно не учитывать. Величина пульсаций выпрямленного
напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций:
, где
U1m — амплитуда первой гармоники.
Для однопериодной схемы амплитуда первой гармоники равна:
. С учетом этого получаем, что коэффициент
пульсаций однополупериодной схемы выпрямления равен kП = 1.57.
Основным преимуществом однополупериодной схемы выпрямления является ее простота. К недостаткам следует отнести:
значительную величину обратного напряжения на вентиле и
веса сглаживающего фильтра;
низкий коэффициент использования мощности трансформато-
ра, так как он работает только в течение одного полупериода.
Однополупериодная схема выпрямления с емкостным фильтром
показана на рисунке 7.3.
34
CR
t
CC
H
eUU
max
U
1
U2 RН V V0 C
Тр Д
t
u, i
0
u
i
Рис. 7.3. Однополупериодная схема выпрямления
с емкостным фильтром
При прохождении тока в прямом направлении емкость С заряжается, и напряжение на RН равно напряжению на емкости С. Так как
напряжение на емкости отстает по фазе от напряжения на вторичной
обмотке, то в течение всего времени зарядки емкости напряжение на
ней будет оставаться меньше напряжения U2. Когда напряжение U2
станет меньше UC, конденсатор начинает через RН разряжаться, поддерживая на нагрузке напряжение того же знака, что и в случае положительного полупериода. При этом напряжение на его зажимах по
мере разрядки постепенно падает:
. Степень уменьше-
ния напряжения UС зависит от соотношения величин емкости конденсатора и нагрузочного сопротивления. Коэффициент пульсации при
этом резко уменьшается. На рисунках 7.4 и 7.5 изображены зависимости напряжения на нагрузке от времени для случая однополупериодного выпрямителя без емкостного фильтра и с емкостным фильтром
соответственно.
Рис. 7.4. Зависимости напряжения и тока на нагрузке
для случая однополупериодного выпрямителя без емкостного фильтра
35
t
u
0
u
U
1
U2 R
Н
V
0
V
Тр
Д
1
Д
2
Рис. 7.5. Зависимость напряжения на нагрузке
для случая однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром
На рисунке 7.6 приведена двухполупериодная схема выпрямления с нулевым выводом (или средней точкой).
Принцип работы данных схем аналогичен принципу работы однопериодной схемы выпрямления с учетом того, что в оба полупериода через RН проходит ток в одном направлении, пульсируя с частотой, в два раза большей, чем частота входного напряжения. Стоит
отметить, что двухполупериодная схема с нулевым выводом представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей,
работающих на общую нагрузку RН, и является двухфазной (по числу
фаз вторичной обмотки трансформатора, в которых напряжения, питающие каждый из выпрямителей, сдвинуты по фазе на 180°). Также
данная схема является однотактной.
Рис. 7.6. Двухполупериодная схема со средней точкой
36
Считая оба вентиля (диода) одинаковыми, для каждого можно
t
R
U
i
H
m
sin
2
tUU
m
sin
22
m
H
m
I
R
U
I
22
2
0
m
U
U
2
0
2
k
mm
kk
tk
UU
u
)1)(1(
cos
42
22
00
0
2
14.3
2
22 UU
U
UU
mобр
0
0
785.0
42
I
II
I
m
В
67.0
П
k
записать:
определяется как
. Напряжение, подлежащее выпрямлению,
. Каждый вентиль работает, как в од-
нополупериодной схеме, поэтому постоянные составляющие тока и
напряжения равны среднему значению полусинусоидальных импульсов:
;
. (7.4)
Из последнего выражения следует, что в отсутствие нагрузки
напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое
больше напряжения однополупериодного. Раскладывая выражение
для импульсов напряжения в ряд Фурье, получаем:
,
где k = 2, 4, 6…
Видно, что первая гармоника этого ряда с частотой ω в данном
разложении отсутствует, а низшая частота переменных составляющих
вдвое больше частоты напряжения сети.
В рассматриваемой схеме обратное напряжение, действующее
на каждый диод, находящийся в закрытом состоянии, равно сумме
амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки:
. Тогда для тока можно записать:
, то есть в двухполупериодной схеме через каждый
вентиль протекает ток вдвое меньший, чем в однополупериодной
схеме. Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций равен
.
На практике двухполупериодная схема выпрямления со средней
точкой используется достаточно часто. К недостаткам можно отнести
наличие отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и
неполное ее использование по напряжению.
На рисунке 7.7 представлена мостовая однофазная схема выпрямителя. Через нагрузку выпрямленный ток протекает в течение всего
37
периода переменного тока. Видно, что в мостовой схеме выпрямлен-
,
2
0
m
I
I
m
U
U
2
0
2
02
57,1 UUU
mобр
0
0
785.0
4
I
I
I
0
0
11.1
222
I
II
I
m
67.0
П
k
U1 U2 RН V V0 C Д
3
Д
4
Д
1
Д
2
Тр
ный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в схеме с
нейтральным выводом, поэтому можно записать:
Рис. 7.7. Мостовая двухполупериодная схема выпрямления
с емкостным фильтром
.
Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной
обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по
сравнению со схемой с нейтральным выводом в мостовой схеме
требуется обмотка с числом витков, вдвое меньшим. Это приводит
к тому, что обратное напряжение, действующее на каждый вентиль,
в два раза меньше, чем в схеме с нейтральной точкой, то есть
.
Действующее значение тока, протекающего через вентиль, равно
. Отметим, что в мостовой схеме через каждый вентиль
ток проходит только в течение одного полупериода, тогда как во вторичной обмотке трансформатора — в течение всего периода. Действующее значение тока, протекающего через вторичную обмотку,
равно
.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме
равна
.
Однофазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед двухполупериодной схемой с нулевым выводом:
38
не требует специального вывода от средней точки вторичной
U
вх
RН V V
0 Д1 Д2 С2 С2 Тр
обмотки;
напряжение на вторичной обмотке вдвое меньше;
вентили могут включаться в сеть без трансформатора, если
напряжение этой сети обеспечивает получение необходимого значения выпрямленного напряжения;
обратное напряжение, приходящееся на один вентиль, вдвое
меньше.
В ряде случаев для питания некоторых устройств промышленной
электроники требуются значительные напряжения. Работа таких
устройств основана на использовании напряжений конденсаторов, заряжающихся от источника переменного напряжения с помощью специально включенных вентилей. В настоящее время существует несколько различных схем выпрямителей с удвоением напряжения.
Однополупериодный выпрямитель с удвоением напряжения состоит из двух конденсаторов, включенных так, как показано на рисунке 7.8.
Рис. 7.8. Вариант схемы удвоения напряжения
Пусть в какой-то момент времени верхний конец вторичной
обмотки трансформатора имеет плюс, а нижний — минус, тогда конденсатор С1 может зарядиться через вентиль Д1 до амплитудного значения приложенного напряжения Um с соответствующей полярностью; в следующий полупериод конденсатор С2 заряжается через
вентиль Д2 до Uн = 2Um, так как к конденсатору С2 подключены два
источника: вторичная обмотка трансформатора с амплитудой Um и
последовательно с ней заряженный до Um конденсатор С1. При подключении к конденсатору С2 нагрузки Rн напряжение на нем несколько уменьшится из-за разряда этого конденсатора через нагрузку Rн.
Для того чтобы разряд конденсатора был незначительным, емкость
конденсатора должна быть большой. На практике используются
39
обычно электролитические конденсаторы с емкостью в несколько де-
U
вх
R
Н
V V0 R
Д
1
Д
2
С
1
С
2
Тр
сятков мкФ.
Использование выпрямителей с удвоением напряжения целесообразно для питания маломощных высокоомных цепей. Эту схему
еще называют иногда последовательной схемой удвоения напряжения.
В двухполупериодном выпрямителе с удвоением напряжения
(рис. 7.9) в положительный полупериод заряжается С1 до Um1, а в следующий период С2 до Um, в итоге на выходе умножителя имеется
напряжение 2Um. Резистор R необходим для ограничения начальных
значений тока заряда конденсаторов при первоначальном включении
схем выпрямителей, когда конденсаторы С1 и С2 разряжены, величина
R ≈ 100 Oм.
Рис. 7.9. Вариант схемы удвоения напряжения
Двухполупериодный выпрямитель следует считать более предпочтительным по сравнению с однополупериодным, так как напряжение на его выходе имеет меньше пульсаций, причем частота их в два
раза больше частоты переменного напряжения, подводимого к выпрямителю.
На основе приведенных данных схем удвоения могут быть созданы схемы многократного умножения. На рисунке 7.10 в качестве
примера приведена схема утроения напряжения.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]