Пример расчета диодного ограничителя

Пусть необходимо рассчитать схему (рис. 7.26а) и характеристику «вход-выход» последовательного ограничителя снизу с уровнем ограничения , работающего на нагрузочное сопротивление, на вход которого поступает гармонический сигнал с амплитудойи частотой. Параметры диода:,,,,. Заданный уровень ограничения обеспечивается источником ЭДС.

Рис. 7.26

Идеализированная характеристика «вход-выход» и соответствующие ей зависимости ипостроены на рис. 7.26б. На характеристике «вход-выход» существует два участка: для первого участка диод закрыт, для второго участка диод открыт. Поэтому для построения характеристики с учетом заданных параметров реального диода используются эквивалентные схемы (рис. 7.27а - для первого участка, рис. 7.27б - для второго участка характеристики «вход-выход»).

Рис. 7.27

Тогда для схемы рис. 7.27а , где- коэффициент передачи входного переменного напряжения на выход схемы;- коэффициент передачи напряжения от источника ЭДСна выход схемы;- коэффициент передачи от источника токана выход схемы. Тогда, где- уровень ограничения (при заданном), а коэффициент передачи входного напряжения на выход схемы(при идеальном значении).

Для схемы рис. 7.27б выходное напряжение также содержит постоянную и переменную составляющие, поскольку , где;;.

Тогда .

Для может быть определено входное пороговое напряжениеи соответствующее значение выходного напряжения.

Уточненная характеристика «вход-выход» приведена на рис. 7.28а, а зависимость - на рис. 7.28б.

Рис. 7.28

При передаче прямоугольных импульсов или гармонических сигналов с большими амплитудами и высокими частотами следования схема будет вносить изменения в форму сигнала, связанные с наличием постоянных времени схемы (10) и (11), составляющих:

- для открытого диода;

- для закрытого диода.

Для рассматриваемого входного сигнала, период следования которого , инерционность схемы можно не учитывать, поскольку постоянная времени схемы по сравнению с длительностью периода входного сигнала мала.

7.5. Выпрямители на диодах

Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное напряжение требуемой величины. Выпрямительное устройство (рис. 7.29) в большинстве случаев состоит из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. Трансформатор преобразует напряжение переменного тока на его первичной обмотке в более высокое или низкое напряжение на вторичной обмотке, необходимое для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

Рис. 7.29

Выпрямитель преобразует напряжение переменного тока в пульсирующее, имеющее в своем составе постоянную составляющую и значительное количество гармонических составляющих. Наибольшей из них является первая гармоника, частота и амплитуда которой определяются схемой выпрямителя. В источниках питания радиоэлектронной аппаратуры, работающих от сети переменного тока, чаще всего используются схемы: однополупериодная (рис. 7.30а), двухполупериодная со средним выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 7.30б), однофазная мостовая схема - схема Греца (рис. 7.30в), двухполупериодная с удвоением напряжения - схема Латура (рис.7.30г).

Однополупериодную схему или схему одностороннего ограничения обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризуется низким коэффициентом использования мощности трансформатора.

а	б
в	г
Рис. 7.30

Двойную схему одностороннего ограничения или двухполупериодную схему со средним выводом вторичной обмотки применяют в низковольтных выпрямителях. По сравнению с однофазной мостовой схемой она позволяет вдвое уменьшить число диодов и тем самым снизить потери.

Однофазная мостовая схема также является двойной схемой одностороннего ограничения и характеризуется высоким коэффициентом использования мощности трансформатора. Эта схема может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт.

Схема Латура представляет собой последовательное соединение двух однополупериодных схем и применяется при повышенных выпрямленных напряжениях (до 1÷2 кВ) в устройствах различной мощности при небольших токах.

На выходе выпрямителя для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения ставится сглаживающий фильтр, поскольку характер нагрузки существенно влияет на работу выпрямительных диодов. Например, для схемы рис. 7.30б при питании от сети переменного напряжения синусоидальной формы на рис. 7.31 показаны формы напряжения (рис. 7.31а) и токов в каждой фазе двухполупериодной схемы выпрямителя со средним выводом вторичной обмотки: форма тока при работе на фильтр, начинающийся с емкости (рис. 7.31б), представляет собой верхнюю часть синусоиды с продолжительностью менее полупериода; форма тока при работе на фильтр, начинающийся с индуктивности (рис. 7.31в), представляет собой прямоугольную форму с продолжительностью, равной полупериоду; форма тока при работе на активную нагрузку без фильтра (рис. 7.31г) представляет собой полусинусоиду.

Рис. 7.31

Разные формы токов в фазе и их продолжительность приводят к тому, что методы расчета и расчетные соотношения выпрямителей с различным характером нагрузки существенно различаются.

Необходимые расчетные соотношения для схем выпрямителей рис. 7.30, работающих на тот или иной тип нагрузки, приведены в табл. 7.3 и табл. 7.4, где

- коэффициент использования трансформатора;

- количество фаз первичной обмотки трансформатора;

- количество фаз вторичной обмотки трансформатора;

- частота питающего напряжения;

- напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора (действующее значение);

- ток вторичной обмотки трансформатора (действующее значение);

- габаритные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно;

- габаритная мощность трансформатора;

- ток первичной обмотки трансформатора (действующее значение);

- количество витков вторичной обмотки трансформатора;

- количество витков первичной обмотки трансформатора;

- активное сопротивление фазы с учетом активного сопротивления обмоток трансформатора и сопротивления вентиля;

- количество фаз выпрямления;

- напряжение на нагрузке выпрямителя (постоянная составляющая);

- ток нагрузки (постоянная составляющая);

- мощность, потребляемая нагрузкой;

- коэффициент пульсаций по первой гармонике на входе фильтра после выпрямителя;

- частота основной гармоники на выходе выпрямителя;

- максимальное обратное напряжение на вентиле (диоде);

- среднее значение тока через диод;

- действующее значение тока через диод;

- максимальный постоянный прямой ток через диод;

- емкость фильтра;

- расчетные коэффициенты, определяемые по графикам рис. 7.32 в зависимости от параметра и угла.

Параметр определяется из выражения , а параметр находится по формуле , где - сопротивление индуктивности рассеяния трансформатора.

Пример расчета выпрямителя

Исходные данные для расчета:

- напряжение на нагрузке выпрямителя ;

- ток нагрузки ;

- коэффициент пульсаций на выходе ;

- напряжение сети может изменяться в пределах;

- частота сети .

Таблица 7.3
Схема	Однополупериодная		Двухполупериодная со средней точкой трансформатора
Нагрузка
	0,324	0,47	0,676	0,545	0,748

Таблица 7.4
Схема	Мостовая (схема Греца)			Удвоения (схема Латура)
Нагрузка
	0,773	0,66	0,9	0,63

1. Определяем потребляемую нагрузкой мощность

.

2. Определяем сопротивление нагрузки

.

3. Коэффициент пульсаций сравнительно низок, поэтому можно попытаться в качестве фильтра использовать только один конденсатор, взяв схему выпрямления с низким коэффициентом пульсаций. Выбираем двухполупериодную схему выпрямления с конденсатором, включенным параллельно нагрузке, так как выпрямленное напряжение сравнительно мало и на вентилях мостовой схемы получится относительно большое падение напряжения, снижающее КПД выпрямителя. Для выбранной схемы m =2.

4. Определяем максимальное выпрямленное напряжение

.

5. Выберем коэффициенты .

7. Пользуясь табл. 7.3 и выбранными коэффициентами , определяем ориентировочно постоянную составляющую тока и амплитуду обратного напряжения вентиля

7. Вентиль должен иметь допустимые значения , превышающие вычисленные. По справочнику выбираем полупроводниковый диод Д226Д, у которого, допустимый выпрямленный токи прямое падение напряжения. Параметры выбранного диода с запасом удовлетворяют требованиям.

7. Определяем дифференциальное сопротивление вентиля

.

Коэффициент учитывает, что значениеизмерено на переменном токе и меньше падения напряжения на вентиле при постоянном токе.

9. Для ориентировочного определения сопротивления трансформатора и индуктивности рассеяниянеобходимо знать тип трансформатора. Выбираем броневой трансформатор. У него обмотки расположены на одном центральном стержне, поэтому коэффициент. Считаем, что максимальная индукция в сердечнике трансформатора. По табл. 7.5 выбираем коэффициентыи вычисляем

Таблица 7.5
Схема выпрямления	Емкостная реакция		Индуктивная реакция
Однополупериодная	2,3	4,1	-	-
Двухполупериодная	4,7	4,3	6,5	4,5
Мостовая	3,5	5,0	5,1	6,4
Удвоения	0,9	1,25	-	-

Реактивное сопротивление индуктивности рассеяния

.

Сопротивление фазы выпрямления

10. Определяем расчетные параметры

11. Пользуясь найденным величинам , определяем по графикам рис. 7.32 коэффициенты для расчета параметров трансформатора и вентиля

.

12. Определяем параметры трансформатора и вентиля. Действующее значение напряжения вторичной обмотки

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора и вентиля

.

Рис. 7.32

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

.

Габаритные мощности вторичных, первичных обмоток и трансформатора

Наибольшее приложенное к вентилю обратное напряжение

.

Среднее значение тока вентиля

.

Амплитуда тока через вентиль или максимальное значение тока

.

Предварительно выбранный диод Д226Д пригоден для работы в проектируемом выпрямителе, так как все его параметры выше требуемых.

13. Определяем емкость конденсатора, исходя из коэффициента пульсаций на выходе схемы :

.

При выборе рабочего напряжения конденсатора обязательно нужно учитывать значение выпрямленного напряжения на холостом ходу. В режиме холостого хода выпрямителя конденсатор зарядится до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке, а оно с учетом возможного повышения напряжения питающей сети на составляет

.

Выбираем конденсатор на ближайшее напряжение . По справочнику выбираем конденсатор типа К50-6 на напряжениес емкостью. Допустимый коэффициент пульсаций для выбранного конденсатора при частоте пульсацийсоставляет, что совпадает с расчетным. При емкости конденсатора выпрямителякоэффициент пульсаций схемы

,

что меньше допустимого для конденсатора и требуемого для схемы.