Содержание отчета

Схема лабораторнай установки. Домашнее задание. Порядок расчета параметров схемы замещения диодов и источника синала. Параметры схемы замещения диодов.

Лабораторная работа №3 Исследование работы схем выпрямителей

Цель работы: познакомится с работай основных схем выпрямителей; исследовать влияние на работу выпрямителей индуктивной и емкостной нагрузки

Общие сведения

Выпрямители в большинстве случаев содержат трансформатор, диоды и сглаживающий фильтр. Они характеризуются следующими параметрами: значением входного напряжения, частотой входного тока и их отклонениями; полной мощностью, потребляемой от входной сети; значением выходного напряжения; коэффициентом пульсаций выходного напряжения; значением выходного тока и его отклонением от номинального; коэффициентом полезного действия.

Коэффициент пульсаций выпрямителя принято определять как отношение двойной амплитуды переменной составляющей к постоянной составляющей выходного напряжения. Двойная амплитуда измеряется как сумма положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Из большого количества схемных решений выпрямителей рассмотрим лишь наиболее часто применяемые в источниках электропитания (рис. 2).

Однополупериодная схема выпрямителя (рис. 2, а) используется обычно при выходной мощности до 10 Вт и в тех случаях, когда допускается сравнительно высокий коэффициент пульсаций. Достоинством схемы является минимальное число диодов, недостатком — низкая частота пульсаций, равная частоте входного тока. При наличии трансформатора имеет место недостаточное его использование и подмагничивание магнитопровода постоянным током.

Двухполупериодная (двухфазная) схема с выводом средней точки (рис. 2, б) используется обычно при выходной мощности до 500 Вт. Достоинством схемы является возможность применения диодов с электрически соединенными катодами в виде диодных сборок, а также возможность установки диодов на общий радиатор. К недостаткам следует отнести усложнение конструкции трансформатора из-за вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора и повышенное обратное напряжение на диодах.

Рис. 2. Схемы выпрямителей. а – однополупериодная; б – двухполупериодная (двухфазная) с общей точкой на трансформаторе; в – мостовая однофазная; г – мостовая трехфазная схема; д – полумостовая трехфазная; е – шестифазная однотактная

Мостовая однофазная схема (рис. 2, в) используется в широком Диапазоне выходных мощностей (обычно более 300 Вт). Достоинством схемы является повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение на диодах, возможность работы без трансформатора. Недостатком схемы является повышенное падение напряжения на диодах (всегда открыто два диода) и необходимость применения изолирующих прокладок при установке диодов на один радиатор. Путем вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора данной схемы (рис. 2,в показано штрих пунктиром) можно получить кроме выпрямленного напряженияU₀дополнительно половинное напряжение (U₀/2). Эту схему можно рассматривать как два двухфазных выпрямителя, использующих одну и ту же обмотку трансформатора, причем выходные напряжения этих выпрямителей включены последовательно. Подобным образом схему используют для получения двухполярных источников, противоположные полюсы которых соединены в одну точку.

Мостовая трехфазная схема (рис. 2.1,г) обладает высоким коэффициентом использования мощности трансформатора, малым значением обратного напряжения на диоде, повышенной частотой пульсаций выпрямленного напряжения. Схема используется в широком диапазоне выходных мощностей и выпрямленных напряжений (средней и большой мощности). Соединение вторичной обмотки трансформатора звездой позволяет избежать появления уравнительных токов при асимметрии фазных напряжений. Да базе этой схемы также можно построить двухполярный источник питания (рис. 2, г показано штрих пунктиром). Схема может применяться без трансформатора. К недостаткам можно отнести невозможность заземлить вторичную обмотку трансформатора, если заземлен один из полюсов нагрузки, а также протекание тока нагрузки через два диода, что снижает КПД схемы вследствие неидеальности диодов.

При больших мощностях и незначительных выходных напряжениях вследствие падения напряжения на диодах в трехфазной мостовой более актуальной трехфазная полумостовая схема (рис. 2,1,е). Основным недостатком данной схемы является вынужденное подмагничивание магнитопровода, однако этот недостаток устраняется применением схемы «треугольник». Так же в сравнении с мостовой трехфазной – коэффициент пульсаций и большие обратные напряжения на диодах.

Рис. 3. Схемы умножителей. а – двойное увеличение напряжения; б – увеличение напряжения в 4 раза

Шестифазная однотактная схема (рис. 2,1,е) применяется для получения низких напряжений (менее 10 В) при токах нагрузки до сотен ампер. Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в треугольник для исключения вынужденного намагничивания магнитопровода. Пульсации выходного напряжения в этой схеме такие же, как в трехфазной мостовой, но трансформатор должен быть рассчитан на более высокую габаритную мощность. Целесообразность применения схемы для низких напряжений объясняется тем, что падение напряжения на диодах в каждом такте работы в 2 раза меньше по сравнению с трехфазной мостовой схемой.

В устройствах высокого напряжения применяются схемы выпрямителей с диодно-конденсаторными умножителями напряжения (рис. 3). Принцип работы схемы рис. 3,aоснован на потактном заряде емкостей. Емкости заряжаются быстро поотдельности, а разряжаются на нагрузку медленно, но одновременно. Поэтому напряжение на нагрузке будет практически в два раза больше амплитудного значения вторичной обмотки трансформатора.

В некоторых случаях схему рис. 3,aиспользуют для получения двухполярного источника при малых можностях.

Рис. Схема диаграмма мостового выпрямителя и его работа на емкостную нагрузку

Работа выпрямителя в существенной мере определяется характером его нагрузки. При этом имеют место различные формы тока в зависимости от характера нагрузки. Активная нагрузка источника электропитания встречается редко и обычно реализуется при отсутствии фильтра. Примером может служить нагреватель электровакуумного прибора. Чаще нагрузка является активно-емкостной или активно-индуктивной. К активно-емкостной нагрузке можно отнести электронно-лучевые трубки, электровакуумные приборы, вычислительные устройства и др. Активно-индуктивная нагрузка создается фильтром, начинающимся с дросселя, а при отсутствии фильтра такой нагрузкой являются технологические установки электронной техники, электромагнитные механизмы, электродвигатели системы охлаждения и др.

Выходное напряжение будет представлять собой пилообразное напряжение с определенной постоянной составляющей. В схеме наблюдаются два периода. В первом периоде происходит быстрый заряд конденсатора с постоянной времени _ch= r₀C, где r₀= r_T+ 2r_VD – r_T– сопротивление обмоток трансформатора, которое приведено к фазе вторичной отмотки трансформатора, r_VD– дифференциальное (динамическое) сопротивление диодов (коэффициент 2 отражает особенность работы мостовой схемы выпрямителя). Разряд емкости происходит с постоянной времени_dis= R_LC. Заряд и разряд емкости происходит по экспоненциальной зависимости. Конденсатор стремится зарядиться до амплитудного значенияU_2p, поэтому при малых нагрузках (u_0) и на холостом ходу выполняется следующие соотношениеU₂U_2pU_out. Большая разность между временем заряда и разряда приводит к тому, что выходное значение тока на нагрузке max(i₂)>> i_outв разы отличается от тока через обмотки трансформатора и диоды. Это обстоятельство требует учитывать при выборе диодов для схем с емкостным характером нагрузки и при попытках уменьшить пульсации на нагрузке путем увеличения емкости конденсатора.

Рис. Диаграмма работы мостового выпрямителя при разных конденсаторах

К недостаткам выпрямителей, работающих на нагрузку с емкостной реакцией, относятся:

1) большая амплитуда тока диода;

2) увеличение габаритной мощности трансформатора;

3) значительное обратное напряжение на диоде

4) резко выраженная зависимость значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки (это зависимость может быть ослаблена при увеличении емкости конденсатора)

Рис. Схема диаграмма мостового выпрямителя и его работа на индуктивную нагрузку

5) увеличение нагрузки вызывает увеличение пульсаций выходного напряжения.

Однофазная схема выпрямления. В схеме на рис. 6, последовательно с нагрузкой включено индуктивное сопротивление. Наличие индуктивных элементов в цепи с изменяющимся током приводит к отставанию изменения тока от изменения напряжения, и это обстоятельство существенно изменяет режим работы выпрямительной схемы.

Во время первого полупериода напряжения и₂ анод диодаVD1 имеет положительный потенциал, диод открывается и по цепи, состоящей из диода, дросселя L, сопротивления нагрузкиR_L и вторичной обмотки трансформатора, протекает токi_out. По мере увеличенияи₂ возрастает и токi_out однако при этом на индуктивностиL возрастает и противо-ЭДСe_L, направленная встречно напряжениюи₂ и препятствующая нарастаниюi₀.

В промежутке времени t₀ – t₁, пока токi_out возрастает,e_Lимеет отрицательный знак; когда же с моментаt₁ токi_out начинает уменьшаться, противо-ЭДС приобретает положительную полярность.

В интервале времени t₂ – t₃ энергия, запасенная в маг-нитопроводе дросселя, поддерживает токi_outпротекающий по цепи и в отрицательной части периода напряженияu₂. В момент времениi₃, когда токi_outуменьшается до нуля,e_L также становится равной нулю. Длительность работы диода будет больше полупериода напряженияи₂.

График выпрямленного напряжения u_out повторяет график токаi_out. Форма обратного напряженияi_revна диодеVD1 существенно отличается от формы обратного напряжения при работе выпрямителя на активную нагрузку. В данном случае обратное напряжение в момент запирания диодаt₃изменяется скачком, достигая значения, равного амплитуде напряжения вторичной обмоткиU_2p.

Сравнивая данную схему со схемой, работающей на активную нагрузку, можно сделать следующие выводы:

1. Длительность работы диода в данной схеме увеличивается, причем она зависит от отношения L/R.

2. Значения токов (амплитудное и действующее) меньше, чем при работе на активную нагрузку;

3. Среднее значение выпрямленного напряжения U₀уменьшается, и, чтобы компенсировать уменьшениеU₀, нужно увеличить напряжение вторичной обмотки трансформатораU₂.

4. Пульсации выпрямленного напряжения тока будут меньше, чем при активной нагрузке;

5. Сглаживающее действие индуктивности проявляется эффективнее при низкоомной нагрузке и при большом числе фаз вторичной обмотки (в многофазных выпрямителях);

6. амплитуда тока диода близка к среднему значению тока в нагрузке.

7. при работе из-за противоЭДС индуктивности предусматривать запас по напряжению при выборе диодов.

Рис. 2.4. Идеализированные характеристики передачи диода (а) и формирование искажения типа «ступенька» в выпрямителе (б). 1 – ВАХ диода для больших напряжений; 2 – для средних напряжений; 3 – для малых напряжений; U_out,M1 – напряжение при модельной ВАХ (1); U_out,M3 напряжение при модельной ВАХ (3); U_out напряжение без использования модельных ВАХ

При анализе выпрямителей использовании различных моделей диодов. При больших напряжениях (до 50В) это просто ключ. При средних (1050В) – учитывают падение напряжения U_F0 при открытии диода. Малые токи нагрузки, сравнимы с обратного током диодаI_rev0, требуют его учета. Прямая ветвь ВАХ диодов заметно зависит от температуры и при ее уменьшении сдвигается вправо, увеличивая значение напряжения U_F0, что вследствие формирования нелинейных искажений типа «ступенька» (рис. 2.4) снижает качество выпрямления, особенно заметное при обработке электрических сигналов малой амплитуды. При средних значениях U_F0равных 150 мВ для германиевых диодов и 600 мВ для кремниевых это напряжение сдвигается вправо примерно на 25 мВ на каждые минус 10 °С. Для схем с малым напряжением предпочтительно использование диодов Шотки.

Диоды Шоттки представляют собой весьма перспективный класс полупроводниковых выпрямительных диодов, построенных на основе структуры металл-полупроводник (кремний или арсенид галлия, реже – германий). Эти диоды характеризуются малым прямым падением напряжения (всего 0,2 В), большой максимально допустимой плотностью тока, способностью выдерживать значительные перегрузки по току (существенно превосходящие перегрузки по току аналогичных выпрямительных диодов с p-n-переходами), малыми значениями емкости и большой предельной частотой. Пробивное напряжение диодов Шоттки пока невелико (20...70 В), однако этот недостаток постепенно устраняется переходом к более совершенным технологиям их изготовления. Диоды Шоттки используются для выпрямления малых напряжений высокой частоты. Кроме того, они находят широкое применение в полупроводниковой схемотехнике самого различного назначения. Их прямая ветвь ВАХ в широком диапазоне токов подчиняется экспоненциальному закону, что определило возможность построения на их основе прецизионных логарифмирующих элементов. Известны схемы их сопряжения с транзисторными ключами, позволяющие повысить скорость работы ключей и т.п.