3 Выпрямители и фильтры

3.1 Преобразование переменного тока в постоянный

Выпрямитель – устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Это устройство нелинейное, поскольку преобразуется спектр сигнала. На рис.3.1 показано условное изображение выпрямителя (преобразователя AC/DC), а также временные и спектральные характеристики входного (U₁) и выходного (U_d) напряжений.

Рисунок 3.1 – Условное изображение выпрямителя (AC/DC) и

характеристики входного и выходного напряжений.

Задача выпрямителя – перенести энергию сигнала U₁ с частоты сети f_c на постоянную составляющую – сигнал U_0.

Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя – выделить только постоянную составляющую U₀ (полезный эффект выпрямления ) и отфильтровать все остальные гармоники (пульсации) напряжения U_d, то есть “сгладить” напряжение. Такой фильтр называется сглаживающим и представляет собой ФНЧ с полосой пропускания <<.

Если выпрямитель использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным (однополупериодным), если обе полуволны – двухтактным (двухполупериодным).

Однотактное выпрямление ( преобразование) иллюстрируется схемой и эпюрами рис.3.2 Ключ К синхронно с частотой источника U₁ подключает нагрузку к источнику на время одной полуволны (T/2). Если напряжение гармоническое , то на нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой . За период через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети. Постоянная составляющая тока нагрузки протекает и через источник, вызывая его постоянное подмагничивание.

Рисунок 3.2 – Однотактное выпрямление

Двухтактное выпрямление (преобразование) иллюстрируется схемой и эпюрами рис.3.3. Ключи К1 и К2 синхронно с частотой источника U₁ подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период.

Рисунок 3.3 – Двухтактное выпрямление

Поэтому за период сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем через нагрузку – в одном направлении, а через источник – в противоположных направлениях. Частота импульсов тока (напряжения U_H) в нагрузке в два раза выше частоты сети (). Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. В этом состоит основное отличие двухтактного выпрямления от однотактного.

Суть выпрямления переменного тока (принцип построения выпрямительных устройств) состоит в том, что через источник ток может протекать в одном или двух направлениях, а через нагрузку – только в одном направлении.

В качестве ключей для схем выпрямления используются неуправляемые и управляемые вентили (диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы). Наиболее широко известны неуправляемые вентили – диоды.

3.2 Неуправляемый вентиль и его характеристики

Вентиль – прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду. На рис. 3.4 показано условное обозначение вентиля, ВАХ идеального и реального диодов.

Для реальных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шоттки ) при одинаковых обратных напряжениях, обратные токи существенно различаются.

Рисунок 3.4 – Вольтамперные характеристики идеального и реального

вентилей

Здесь, процесс преобразования переменного тока в постоянный по направлению, происходит с потерями энергии. Для расчётов, реальную ВАХ заменяют линейно-ломанной, пренебрегая потерями от обратных токов, как это показано на рис.3.5а.

Рисунок 3.5 – Аппроксимация ВАХ реального вентиля (а) и его схема

замещения (б).

На рисунке 3.5 обозначено: U_д – начальное смещение ВАХ диода, r_d– дифференциальное сопротивление прямого участка ВАХ, ИВ – идеальный вентиль. Обычно начальное смещение ВАХ реальных диодов составляет ;;.При такой аппроксимации, точность расчётов выпрямительных устройств, вполне удовлетворительна в широком диапазоне токов и напряжений.

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления предъявляется ряд требований:

1. Вентиль должен обеспечивать среднее значение прямого тока I_{пр ср} и

максимальное значение прямого тока I_{пр max}

2. Иметь минимально возможные r_d и U_д из-за потерь мощности в

прямом направлении, что поясняется рис. 3.6 и выражением (3.1) для

расчёта этих потерь.

(3.1)

Рисунок 3.6 – К расчёту потерь вентиля в прямом направлении

3. Вентиль должен иметь малый обратный ток, поскольку это

дополнительные потери.

4. Обладать достаточной электрической прочностью в обратном

направлении U_{обр доп}.

5. При работе на ёмкость выдерживать ударный ток I_{пр уд}.

6. Иметь достаточное быстродействие – малое время восстановления обратного сопротивления.

Рассмотрим подробнее некоторые из этих требований.

Минимально возможные U_д, r_d – определяют КПД выпрямителя, что особенно важно в низковольтных схемах. Изготовители диодов, пытаясь уменьшить их массу и объём перегружают кристаллы полуповодников по току, плотность которого достигает . Это в 10…20 раз превышает оптимальные значения! Поэтому коэффициент загрузки диода по среднему току должен быть не более 0,2…0,3. Снизить потери в прямом направлении и увеличить КПД можно путём параллельного включения нескольких диодов. Если диоды дискретные (корпусные), то токи необходимо выравнивать путем включения дополнительных резисторов с сопротивлением R_доб > r_{d ,} как показано на рис.3.7 _.

Рисунок 3.7 – Выравнивание токов вентилей

Это невыгодно энергетически, хотя потери в диодах уменьшаются, но результирующие потери из-за R_доб возрастают. Поэтому, в некоторых случаях делают многообмоточный трансформатор (секционированный выпрямитель), как показано на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 – Секционированный выпрямитель

Здесь все вторичные обмотки одинаковые. Роль выравнивающих резисторов играют омические сопротивления обмоток. Можно использовать многообмоточный дроссель, как показано на рис.3.9.

Можно применять и то и другое. В цепях питания низковольтных нагрузок используют интегральные диоды – включенные параллельно несколько десятков р–n переходов (20…100 штук), при этом выравнивающих резисторов не требуется, так как все переходы одинаковы, загружены током равномерно и коэффициент загрузки по току не превышает 10…20%, что приводит к снижению результирующих потерь.

Рисунок 3.9 – Многообмоточный дроссель

Электрическая прочность в обратном направлении – U_{обр доп.}. Особенно важно в высоковольтных выпрямителях. При современных требованиях к частоте переключения время восстановления обратного сопротивления должно быть приблизительно t_восст = 50…100 нс. Здесь подходят диоды Шоттки. Но при обратных напряжениях более 200…300В выбор диодов резко ограничивается. Диоды приходится включать последовательно и выравнивать обратные напряжения внешним делителем, как показано на рис.3.10.

Рисунок 3.10 – Выравнивание обратных напряжений внешним делителем

Ток делителя должен быть больше обратного тока диодов I_доб > I_{обр диода} , иначе не будет выравнивания напряжений. Это существенно увеличивает потери и уменьшает КПД. Можно использовать секционированные выпрямители и складывать напряжения на нагрузке, как показано на рис.3.11.

Рисунок 3.11 – Секционированный выпрямитель с суммированием

напряжения

Ударный ток. Для практического использования вентиля в выпрямителе, работающим на ёмкость, представляет интерес допустимая амплитуда серии из 2…4 импульсов тока, следующих с частотой питающей сети (рис.3.12 а). Эта амплитуда называется ударным током (I_пр.уд ), характеризует стойкость диода к перегрузкам и может в 20…50 превышать максимальный ток диода, указанный в справочнике при работе на активную нагрузку.

Рисунок 3.12 – Перегрузочная способность диодов

Отношение I_пр.уд / I_пр.ср. называют коэффициентом перегрузки по току К_i. Примерные значения К_i для наиболее распространённых диодов, приведены на рис.3,12 б. Например, диод типа КД219А имеет I_пр.ср. = 10 А, I_пр.уд. = 250 А , при t_и = 10 мс, U_обр. = 15 В, f = 200 кГц.

Быстродействие. В источниках питания с высокочастотным преобразованием энергии используются импульсные или высокочастотные силовые диоды. На эти диоды в справочниках приводится не граничная частота, а время восстановления обратного сопротивления диода. На рис.3.13 показана форма тока диода при переключении.

Рисунок 3.13 – Переключение выпрямительного диода

Под граничной частотой (fгр) понимается максимальная частота гармонического сигнала, выше которой заметно возрастают потери мощности за счёт увеличения среднего значения обратного тока. Диод перестает выполнять свои функции, когда t_{обр восст} =Т/2, поэтому

(3.2)

Если принять порядок малости равный 10, то для диода КД213А с параметрами I_пр.ср. = 10 А, U_обр. = 200 В, f _ГР = 100 кГц и временем восстановления t _{обр восст} = 0,3мкс получаем граничную частоту, близкую к справочной.

(3.3)

Мощность, рассеиваемая в диоде складывается из трёх составляющих: мощности потерь в прямом направлении, в обратном и на переключение.

, (3.4)

где

(3.5)

Тепло, выделяемое в кремниевой пластине диода (или другого п.п. прибора) передаётся на корпус и далее в окружающую среду через радиатор. Упрощенная тепловая модель полупроводника показана на рис.3.14.

Рисунок 3.14 – Тепловая модель полупроводника

На рисунке обозначено: П – пластина; К – корпус; Р – радиатор; ОС – окружающая среда; t_n –температура пластины; t_ос – температура окружающей среды; R – тепловое сопротивление соответствующего перехода с размерностью [градус/ватт]. Величины тепловых сопротивлений приводятся в справочниках. Они зависят от многих факторов, например, если материал пластины (подложки) ситал, поликор или бериллиевая керамика, то

.

Если материал корпуса алюминий, ковар или пластмасса, то

Тепловое сопротивление радиатор – среда зависит от цвета радиатора, конструкции, поверхности, скорости обдува и др. и лежит в пределах

Таким образом, зная температуру окружающей среды, тепловые сопротивления и мощность, рассеиваемую в диоде, находим температуру пластины:

(3.6)

Эта температура не должна превышать максимально допустимую для данного материала (например, для кремния + 140^оС).

Оценка теплового режима с помощью такой модели даёт представление об установившемся тепловом режиме.