Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

малой величины, то при практических расчетах, связанных с определением ϑ, средних значений токов и мощностей, U0 считается постоянным.

Основные параметры выпрямителя рассчитывают, считая заданными напряжение на выходе выпрямителя U0 и ток I0 = Iн, питающий нагрузку. При этом требуемую величину действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора можно рассчитать по формуле

Действующее значение тока вторичной обмотки определяется интегрированием тока, протекающего через диод, т.е.

Здесь через D обозначена величина, получаемая интегрированием выражения (4.4), т.е.

При этом, учитывая, что и в выпрямителе с фильтром среднее значение тока, отдаваемого в нагрузку, определяется соотношением

можно вводить новый параметр А = tgϑ – ϑ вместо угла отсечки. Этот параметр оказывается более удобным при практических расчетах, так как в соответствии с выражением (4.5) его можно выразить через исходные величины

211

Тогда выражение для коэффициента D также целесообразно выразить через параметр А:

Максимальное значение тока, протекающего через диод, которое достигается при cosωt = 1, составляет

а максимальное обратное напряжение на диоде в отличие от выпрямителя без фильтра Сф (см. рис. 4.2) близко по величине к удвоенной амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т.е.

Как видно из представленных соотношений, основные параметры выпрямителя являются функциями угла отсечки ϑ. С тем, чтобы уменьшить объем рутинных расчетов, пользуются графиками, приведенными в справочной литературе.

На рис. 4.4 приведены зависимости угла отсечки ϑ, коэффициентов В и D от параметра А.

Из-за низкого коэффициента использования трансформатора (он практически действует только во время отпирания диода) и необходимости применения конденсатора фильтра Сф большой емкости (так как он заряжается только за сравнительно короткие промежутки времени, когда проводит диод, а разряжается значительное большее время) однополупериодная схема выпрямления на практике применяется очень редко. Она была подробно рассмотрена для выяснения общих особенностей диодных выпрямителей на примере простейшего из них.

Двухполупериодная схема выпрямления. Такая схема реали-

зуется применением двух диодов и более сложного трансформатора, вторичная обмотка которого имеет отвод от средней точки. Схема такого выпрямителя с простейшим фильтром на выходе показана на рис. 4.5,а. Эпюры, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 4.5,б.

212

При двухполупериодном выпрямлении поочередно диоды проводят, в результате чего в нагрузку поступают импульсы тока в течение обоих полупериодов входного напряжения. Если при положительной полуволне на первичной обмотке трансформатора проводит, например, диод Д1, то при отрицательной полуволне в проводящем состоянии оказывается диод Д2. И в данном выпрямителе диоды проводят только в течение времени, пока напряжение на вторичной обмотке U2 превышает напряжение на выходе выпрямителя U0 на величину напряжения отпирания Uот.д. Следовательно, и в этом случае угол отсечки определяется соотношением

cos ϑ = U0 +Uот.д .

U2m

То обстоятельство, что за полный период заряд конденсатора производится двумя импульсами тока Iд1 и Iд2 (см. эпюры на рис. 4.5,б), а не одним, как в однополупериодном выпрямителе, является важным фактором, улучшающим характеристики выпрямителя и фильтра.

Мгновенное значение тока через любой диод в проводящем состоянии можно определить по формуле

Iд(t) 1r [U2 (t) −(U0 +Uд)] Ur2m (cos ωt −cos ϑ) .

Постоянная составляющая тока I0 = Iн, поступающего в нагрузку с учетом того, что за один период переменного напряжения на вы-

где А = tgϑ–ϑ. При практических расчетах, как уже отмечалось, на основании исходных данных рассчитывают параметр А по формуле

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя определяются следующими соотношениями.

1. Действующее напряжение вторичной обмотки

214

где Р0 = I02 Rн – мощность, отдаваемая в нагрузку; Р1 = U1I1 – мощность, потребляемая от сети.

215

При прочих равных условиях двухполупериодный выпрямитель дает несколько больший коэффициент использования трансформатора и меньшую пульсацию, чем однополупериодный выпрямитель. Этот выпрямитель наиболее часто применяется для напряжения U0 ≤ 10 В при токах нагрузки до нескольких десятков ампер с LC-фильтром.

Однофазная мостовая схема выпрямления. Схема мостового выпрямителя показана на рис. 4.6. Для описания принципа его действия можно воспользоваться эпюрами на рис. 4.5,б, которые были составлены для двухполупериодного выпрямителя.

Выпрямитель работает следующим образом. При положительной полуволне напряжения вторичной обмотки, когда оно превышает выходное напряжение выпрямителя U0 на сумму напряжений отпирания диодов Д1 и Д3, они отпираются, пропуская импульс тока длительностью 2ϑ. При этом угол отсечки опре-

деляется уравнением

При отрицательной полуволне напряжения вторичной обмотки проводят диоды Д2 и Д4, формируя импульс тока длительностью тоже 2ϑ.

Таким образом, в мостовой схеме за один период колебания переменного синусоидального напряжения формируются два импульса тока со средним значением

где r = rтр + 2rпр; А = tgϑ – ϑ.

Два импульса тока за период формировались и в двухполупериодном выпрямителе. Однако такой выпрямитель требовал трансформатор со средней точкой, при этом с очень низким коэф-

216

фициентом использования трансформатора. Если в двухполупериодном выпрямителе вторичные обмотки работали поочередно с действующим значением тока I2 = 0,5DI0, то в мостовом выпрямителе вторичная обмотка включается как при положительной полуволне напряжения, так и при отрицательной, пропуская ток, дейст-

вующее значение которого в 2 =1,4 раза больше, т.е.

где N = 2 – число импульсов тока за один период.

В мостовой схеме обратное напряжение на каждом из диодов оказывается вдвое меньше, чем в предыдущих схемах, т.е.

Uобр = 12 (U2m +U0 ) 1,41BU0.

Это объясняется тем, что суммарное обратное напряжение ве-

личиной U2m + U0 2U2m = 2,82BU0 падает на два диода. Остальные параметры мостовой схемы (I0 = Iд.ср, Iд, Iтд) определяются выражениями, полученными для двухполупериодной схемы выпрямления. При этом надо учитывать, что в соответствующих соотношениях величину Uот.д надо удвоить, так как в каждой ветви имеются два диода, включенных последовательно.

Мостовая схема находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети. Она по своим характеристикам превосходит другие схемы выпрямления по коэффициенту использования трансформатора, величине обратного напряжения на диодах. Достоинством мостовой схемы можно считать и то, что в ней используется простой трансформатор без отвода со средней точки. Весьма существенным преимуществом мостовой схемы является также и возможность непосредственного подключения к питающей сети переменного тока без трансформатора.

Многофазные схемы выпрямления. Для увеличения числа им-

пульсов тока с целью уменьшения пульсации напряжения на выходе выпрямителя и более полного использования трансформатора применяют многофазные схемы выпрямления, из которых наиболее часто на практике встречаются трехфазные и шестифазные схемы.

217

Трехфазная схема выпрямления (рис. 4.7,а) включается в трехфазную сеть и обеспечивает формирование трех импульсов тока за один период колебаний входного напряжения. Ее преимущество по сравнению с однофазными схемами заключается в меньшей амплитуде пульсации и в том, что частота пульсации равна утроенной частоте тока питающей сети. Параметры этой схемы можно опре-

Рис. 4.7. Простая (а) и мостовая (б) делить по формулам, полученным

трехфазные схемы выпрямления для двухполупериодной схемы с подстановкой N = 3.

Большее распространение на практике получила трехфазная мостовая схема Ларионова (рис. 4.7,б). Она находит применение для получения как низких, так и высоких напряжений при токах в нагрузке от сотен миллиампер до десятков и даже сотен ампер. Трехфазная мостовая схема является энергетически наиболее экономичной. Обратное напряжение, приходящееся на вентиль, в этой схеме примерно равно выходному напряжению выпрямителя U0. Пульсация (на входе LС-фильтра или при его отсутствии) составляет теоретически 5,7 % от U0 при частоте, равной ушестеренной частоте напряжения питающей сети (практически пульсация составляет 8–10 % из-за неизбежной асимметрии напряжений в фазах обмоток трансформатора). Достоинством трехфазной мостовой схемы является то, что она, как и однофазная мостовая схема, допускает непосредственное подключение в питающую трехфазную сеть переменного тока без промежуточного развязывающего трансформатора.

Шестифазная схема выпрямления строится на трехфазном трансформаторе, вторичные обмотки которого имеют отводы от средней точки. Таким образом, для каждой фазы напряжения применяют двухполупериодную схему выпрямления, благодаря чему обеспечивается формирование выходного напряжения U0 с пуль-

218

сацией при частоте, равной ушестеренной частоте напряжения питающей сети. Пульсация в этой схеме такая же, что и в схеме Ларионова. Однако она уступает схеме Ларионова по сложности изготовления трансформатора. Несмотря на то, что в этой схеме падение напряжения на вентилях в каждом такте работы в 2 раза меньше, чем в схеме Ларионова, с появлением полупроводниковых диодов с малым перепадом напряжения Uд.пр это преимущество шестифазной схемы стало не столь существенным. Поэтому в большинстве случаев, в том числе и для низких выпрямленных напряжений, предпочтение отдают мостовой схеме Ларионова.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения. Для полу-

чения выпрямленного напряжения, в 2 или более раз превышающего амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, применяют схемы выпрямителей с умножением напряжения. При этом выпрямитель дополняется конденсаторами, способными накапливать и в течение некоторого времени сохра-

жение Uс1 на конденсаторе С1 на величину напряжения отпирания Uот.д, диод Д1 отпирается и производит подзарядку конденсатора С1. При этом угол отсечки определяется выражением

cosϑ = Uc1 +Uот.д .

U2m

Во время отрицательной полуволны напряжения вторичной обмотки при U2mcosϑ = Uс2 + Uот.д отпирается диод Д2, обеспечивая подзарядку конденсатора С2. При этом напряжение на выходе выпрямителя U0, снимаемое с последовательно соединенных конденсаторов C1 и С2, окажется равным

219

U0 = Uc1 + Uc2 = 2(U2mcosϑ – Uот.д),

то есть близким к удвоенной величине напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В рассмотренном выпрямителе с удвоением напряжения подмагничивание в трансформаторе отсутствует (так как схема симметричная), частота пульсации вдвое выше частоты напряжения питающей сети. Однако такой выпрямитель может работать только

вмаломощных источниках питания, так как в противном случае конденсаторы С1 и С2 будут заметно разряжаться и удвоение напряжения не будет иметь место. Такие выпрямители применяются

ввысоковольтных источниках питания (до нескольких киловольт) при небольших токах нагрузки (не более десятков миллиампер). В

этой схеме при заданном выходном напряжении U0 напряжение на вторичной обмотке и соответственно обратное напряжение на вентиль вдвое меньше, по сравнению со схемой без умножения. Недостатком схемы является то, что ни один из выводов вторичной обмотки трансформатора не может быть соединен с корпусом, если с ним соединен один из выводов выпрямителя (см. рис. 4.8).

При необходимости большего увеличения выходного напряже-

ния U0 используют схемы умножения напряжения на три, четыре и т.д., в которых каждый последующий конденсатор заряжается до более высокого напряжения, чем предыдущий. Расчет схем умножения напряжения проводят на основании соотношений, полученных для выпрямителей, с учетом коэффициента умножения напряжения пу и числа звеньев пз.

4.2.2. Тиристорные управляемые выпрямители

На практике часто требуются источники питания, у которых выходное напряжение и ток должны плавно регулироваться в широких пределах. В настоящее время такие источники питания строят на основе тиристорных управляемых выпрямителей, в которых, меняя угол отсечки тока, можно регулировать выходное напряжение. В таких выпрямителях тиристоры выполняют одновременно функции преобразования переменного тока в постоянный и регулирования уровня выходного напряжения. Использование тири-

220