Зм 3. Електронні пристрої

3.1. Випрямлячі змінного струму.

Випрямляч – пристрій, призначений для забезпечення живлення споживачів постійного струму від джерела змінного струму.

Структурна схема випрямляча має вид, показаний на рис. 3.1.

Рис. 3.1.

Випрямляч в більшості випадків складається з таких елементів:

• силовий трансформатор забезпечує підвищення або зниження напруги мережі змінного струму до потрібної величини;

• вентильна схема складається з одного або кількох вентилів, які мають односторонню провідність струму і що виконують основну функцію випрямляча – перетворення змінного струму в пульсуючий;

• згладжуючий фільтр, який зменшує пульсацію випрямленого струму.

В схему випрямляча, крім цих основних елементів, можуть входити різні допоміжні пристрої, призначені для регулювання випрямленої напруги, включення і виключення випрямляча, захисту випрямляча від пошкодження при порушенні нормального режиму роботи, контрольно-вимірювальні прилади і т.п.

Класифікуються випрямлячі за числом фаз змінного струму мережі живлення, за типом вентилів, за схемою їх включення та за ін. показниками.

Однофазні випрямлячі, що працюють від однофазної мережі змінного струму, поділяються на:

• однопівперіодні, в яких струм через навантаження проходить тільки протягом одного півперіоду за період зміни напруги мережі;

• двопівперіодні, в яких струм через навантаження проходить протягом обох півперіодів за період зміни напруги мережі;

ще розрізняють однотактні (в яких струм через вторинну обмотку трансформатора проходить тільки протягом одного півперіоду за період зміни напруги мережі) і двотактні (в яких струм через вторинну обмотку трансформатора проходить протягом обох півперіодів за період зміни напруги мережі).

• схеми з множенням напруги, які використовуються для підвищення випрямленої напруги на навантаженні при заданій напрузі на вторинній обмотці трансформатора або при відсутності підвищуючого трансформатора.

Н айпростіший випрямляч складається з трансформатора і електронного приладу, що має односторонню провідність – вентиля (рис. 3.2).

Резистор R_н уявляє собою навантаження. Як вентиль може бути використаний діод VD. Трансформатор Т перетворює напругу мережі у відповідності з потрібним значенням постійної напруги. Завдяки односторонній провідності вентиля струм через обмотку навантаження, вентиль і навантаження проходить тільки в тій частині періоду, коли полярність напруги відповідає прямій напрузі діода. Тому наведена схема отримала назву однотактна однопівперіодна. Під час другого півперіоду струм через навантаження не проходить (див. час. діаграму на рис. 3.3).

О тже випрямлений струм уявляє собою імпульси синусоїдальної форми, тривалість яких дорівнює половині періоду підведеної змінної напруги. Якщо використовуючи математичні прийоми розкласти періодичну (імпульсну) функцію в нескінчений тригонометричний ряд (f(t) = a₀ + a₁sin(t + ₁) + a₂sin(2t + ₂) + …), то можна побачити, що такі імпульси мають не тільки постійну складову (a₀), але і гармонічні складові: (a₁sin(t+₁) – перша гармоніка, a₂sin(2t+₂) – друга гармоніка і так далі до нескінченності)¹.

Для наведеної схеми випрямляча: постійна складова U₀ = 0,45U₂ або 32% від амплітуди напруги живлення U_2 m; амплітуда першої гармоніки – 50%; другої – 20%.

Для того, щоб через навантаження проходила тільки постійна складова імпульсного струму паралельно навантаженню включають згладжуючий фільтр, який має незначний опір для гармонік і великий опір для постійної складової. Найпростіший фільтр для малопотужних кіл є конденсатор, який підключають паралельно до навантаження. Під час прямої напруги конденсатор заряджається, а під час зворотної для вентиля напруги – розряджаючись живить навантаження. Треба мати на увазі, що в цей час діод знаходиться під дією не тільки зворотної напруги, а ще й під напругою від конденсатора, тобто максимально можлива зворотна напруга на вентилі дорівнює подвійній напрузі живлення. Це необхідно враховувати при виборі вентиля з тим, щоб не допустити його пробою при зворотній напрузі на трансформаторі.

Основні характеристики випрямляча:

• значення випрямленої напруги;

• допустимий струм навантаження;

• коефіцієнт пульсацій – відношення амплітуди першої гармоніки до постійної складової q = U_m⁽¹⁾/U₀.

Чим менший q, тим менша доля змінної напруги на навантаженні.

Для однопівперіодного випрямляча без фільтра:

U_m⁽¹⁾ = 0,5 U_2 m; U₀ = 0,32 U_2 m; q = 0,5U_2 m /0,32U_2 m = 1,56.

З начно менший коефіцієнт пульсацій (q = 0,48) має двопівперіодна однотактна схема з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора (рис. 3.4). По суті ця схема уявляє поєднання двох однопівперіодних випрямлячів, які працюють на спільне навантаження R_н. По числу фаз вторинної обмотки трансформатора схему можна вважати двофазною, оскільки напруги U₂⁽¹⁾ і U₂⁽²⁾, що підводяться до кожного діода відносно середньої точки, рівні за величиною, але протилежні за фазою.

В цій схемі струм через навантаження проходить під час обох півперіодів (рис. 3.5). Під час одного півперіоду працює один діод – VD1, а під час другого – VD2.

Значення постійної складової становить U₀ = 0,9U₂, тобто 64% від амплітуди напруги на одній половині вторинної обмотки трансформатора, амплітуда першої гармоніки – 30%.

Значення ємності згладжуючого конденсатора можна отримати з виразів:

для однопівперіодної схеми – C = 200 / (₁ R_н q) [Ф];

для двопівперіодної схеми – C = 100 / (₁ R_н q) [Ф],

де ₁ – кругова частота першої гармоніки (1/сек.).

О скільки в двопівперіодній схемі кругова частота першої гармоніки вдвічі більша ніж в однопівперіодній, необхідна ємність конденсатора в другому випадку буде в 4 рази менша ніж у першому.

При вимозі отримати малі коефіцієнти пульсації значення отриманої за наведеними формулами ємності може виявитись настільки великими, що практично реалізувати її неможливо. В цих випадках використовують складніші фільтри, що містять RC- або LC-елементи.

Для розглянутих схем випрямлячів, не наводячи суворого математичного доказу, можна відзначити:

• в двопівперідній схемі максимальна зворотна напруга на діоді дорівнює 3,14U₀, тобто більш ніж втричі перевищує випрямлену напругу;

• в двопівперіодній схемі величина струму, який проходить через кожний діод, в двічі менша ніж в однопівперіодній, тому при однаковому значенні випрямленого струму в двопівперіодній схемі можна використовувати діоди з меншою величиною допустимого струму, ніж в однопівперіодній схемі;

• двопівперіодна схема дає більш згладжену напругу, ніж однопівперіодна.

Ш ироке розповсюдження отримала мостова схема випрямляча (рис. 3.6).

Діоди VD1, …, VD4 утворюють плечі електричного мосту, в діагоналі якого включені вторинна обмотка трансформатора і навантаження. В один з півперіодів, коли потенціал в точці А вищий ніж потенціал в точці В (рис. 3.6), струм проходить від точки А, через діод VD1, опір навантаження R_н і діод VD3 до точки В. В наступний півперіод потенціали кінців вторинної обмотки трансформатора А і В зміняться на протилежні струм пройде від точки В через діод VD2, опір навантаження R_н і діод VD4 до точки А. Напрям струму, що проходить через опір навантаження R_н на протязі обох півперіодів залишається незмінним. Форма струму на навантаженні буде така ж як і у попередній двопівперіодній схемі (рис. 3.5).

Мостова схема випрямляча в порівнянні зі схемою з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора має деякі переваги:

• трансформатор менший за розміром і масою внаслідок кращого використання обмоток – струм протікає за період по всій вторинній обмотці трансформатора, а не тільки в одній її половині, і тому схема називається двотактню;

• трансформатор буде простіший за конструкцією, оскільки загальне число витків вторинної обмотки трансформатора вдвічі менше і не потребує виводу від середини вторинної обмотки;

• зворотна напруга прикладена до двох послідовно з’єднаних діодів, тому значення її на кожному діоді буде вдвічі менша і складе 1,57U₀.

Необхідність використання чотирьох діодів замість двох, як в схемі з виводом середньої точки, є недоліком мостової схеми.

Живлення споживачів великої потужності здійснюється переважно через трифазні випрямлячі від мережі трифазного струму. Трансформатори, які входять до їх складу створюють рівномірне навантаження на фази мережі. Крім того, характерними рисами таких випрямлячів є:

• менший коефіцієнт пульсацій в порівнянні з однофазними випрямлячами;

• частота пульсацій значно вища ніж у однофазних випрямлячів.

Зазначені обставини полегшують згладження пульсацій.

В икористовуються різноманітні схеми трифазних випрямлячів. Схема трифазного однотактного однопівперіодного випрямляча показана на рис. 3.7.

Первинна обмотка (три її секції) з’єднані за схемою «зірка» або «трикутник». Секції вторинної (вентильної) обмотки з’єднані за схемою «зірка» з виводом від спільної точки кінців секцій О. Випрямляч називається однопівперіодним тому, що кожний з фазних струмів проходить на протязі одного півперіоду за період через вентиль і навантаження. Катоди вентилів VD1, VD2, VD3, що з’єднані між собою, мають додатний потенціал відносно навантаження R_н, а нульова точка О трансформатора – від’ємний. Вентилі по черзі працюють протягом однієї третини періоду, причому кожний з вентилів відкривається тоді, коли напруга на його аноді стає більшої від напруги на інших фазах. Зміни випрямлених напруги і струму показані на графіках рис. 3.8. Так вентиль VD1 пропускає струм з моменту, коли напруга на його аноді (у фазі А) стає більшою за напругу у фазі С, що спадає (точка 1 на рис. 3.8). Після цього вентиль VD1 пропускає струм протягом 1/3 частини періоду (120), доки напруга на його аноді ще перевищує зростаючу напругу у фазі В. Коли ці напруги зрівняються за величиною (точка 2 на рис. 3.8), вентиль VD1 закривається, вентиль VD2 включається в роботу і т.д.

З начення постійної складової становить U₀ = 1,17U₂, де U₂ = U_a = U_b = U_c за величиною. Зворотна напруга на кожному із діодів досягає U_зв = 2,09U₀. Значно менший коефіцієнт пульсацій – q = 0,25.

Існує універсальна формула для визначення коефіцієнта пульсацій будь-якого багатофазного випрямляча із числом фаз m > 1: .

П ри достатньо великій потужності постійного струму в навантаженні R_н перевага віддається двотактним двопівперіодним трифазним схемам випрямлячів, зокрема широко використовується схема Ларіонова, що показана на рис. 3.9. Такі схеми відзначаються більш повним використанням потужності трансформатора.

В наведеній схемі під час одного півперіоду зміни напруги у фазі струм проходить через один з пари діодів, приєднаних до обмотки трансформатора, під час другого – інший як і у однофазній мостовій схемі випрямляча¹. Цей випрямляч можна уявити як два одночасно працюючих трифазних однопівперіодних випрямляча, а напругу на навантаженні – сумою випрямлених напруг цих двох випрямлячів.

Зміни напруги і струму в трифазному двотактному двопівперіодному випрямлячі показані на графіках рис. 3.10.

Значення напруги на навантаженні близьке до максимального значення лінійної вторинної напруги трансформатора U₀ = 2,34U₂, а пульсація ще більш зменшена – q = 0,057, оскільки пульсації складових напруг зсунуті одна відносно іншої і максимум однієї складової співпадає у часі з мінімумом іншої. Пульсації, таким чином, добре згладжені і дорівнюють всього 5% від значення постійної складової. Зворотна напруга на кожному із діодів U_зв = 1,045U₀

Д ля підвищення випрямленої напруги на навантаженні при заданій напрузі на вторинній обмотці трансформатора або при відсутності підвищуючого трансформатора з необхідним коефіцієнтом трансформації застосовують схеми випрямлення з множенням напруги. Як додаткові джерела ЕРС, призначених для збільшення напруги на навантаженні, в цих схемах використовують конденсатори, що періодично заряджаються через діоди.

Найпростіша схема випрямляча з подвоєнням напруги наведена на рис. 3.11. Діє схема так. Протягом додатного півперіоду, коли потенціал точки А вторинної обмотки силового трансформатора позитивний відносно точки В, конденсатор С1 заряджається через діод VD1 до напруги, рівної амплітуді напруги на вторинній обмотці трансформатора U_2m. У другий півперіод, коли потенціал точки А стає негативним, а точки В – позитивним, вторинна обмотка трансформатора виявляється з’єднаною з конденсатором С1 таким чином, що їх напруги складаються. Під впливом цієї сумарної напруги знаходиться навантаження і конденсатор С2, який через діод VD2 заряджається майже до подвоєного значення амплітудної напруги на вторинній обмотці трансформатора 2U_2m. У процесі заряду конденсатора С2 відбувається розряд конденсатора С1. Потім процес повторюється. При цьому напруга на опорі навантаження, підключеному паралельно конденсатору С2, пульсує з частотою напруги мережі і досягає подвоєного значення 2U_2m.

Н а рис. 3.12 наведена схема потроєння напруги. У додатний півперіод, коли потенціал точки А позитивний відносно точки В, конденсатор С1 заряджається через діод VD1 до напруги U_2m. У наступний півперіод конденсатор С2 заряджається через діод VD2 до напруги, рівної сумі напруг конденсатора С1 і вторинної обмотки трансформатора, тобто приблизно до напруги 2U_2m. Конденсатор С1 в цей час розряджається. У наступний півперіод, коли відбувається повторна зарядка конденсатора С1 через діод VD1, закритим виявиться діод VD2 і конденсатор С2 розрядиться через діод VD3 на конденсатор С3, зарядивши його до напруги 2U_2m. По закінченні заряду конденсатора С1 (до кінця третього півперіоду) опір навантаження виявиться під сумарною напругою конденсаторів С1 і С2, тобто приблизно під потрійною напругою U_2m.

Схеми з множенням напруги не можуть забезпечити на навантаженні великий випрямлений струм. Пояснюється це тим, що при великому струмі навантаження конденсатори, що входять в схему випрямляча, повинні мати дуже велику ємність. У іншому випадку вони будуть швидко розряджатися і пульсації напруги на навантаженні стануть недопустимо великими. Тому такі схеми застосовуються головним чином для отримання високих напруг при малому струмі навантаження.

Часто на практиці випрямлячі повинні забезпечити плавну зміну величини випрямленої напруги U₀. Це забезпечують керовані випрямлячі, у яких всі вентилі або частина із них мають керуючий електрод, а також пристрій для регулювання моменту відкриття.

Н а рис. 3.13 наведена схема найпростішого однофазного однопівперіодного керованого випрямляча, в якому як вентиль із керуючим електродом використаний тиристор. Керування величиною випрямленої напруги полягає у керуванні затримки у часі моменту включення тиристора VS по відношенню до моменту природного включення за рахунок напруги, прикладеної між його анодом і катодом. Це здійснюється регулюванням кута зсуву фаз між анодною напругою і напругою, що подається на керуючий електрод тиристора. Такий зсув фаз називають кутом керування α. Керування величиною α здійснюється фазоперетворюючим колом R₁R₂C (фазоперетворювач – див. ч. 1, п. 2.4.6). В залежності від опору змінного резистора R₁ кут керування α може змінюватись в межах від 0º до 90º, що дозволяє плавно змінювати постійну складову випрямленої напруги.

При відсутності фазового струму (α = 0) тиристор повністю відкритий, і при чисто активному навантаженні вихідний сигнал випрямляча максимальний, оскільки струм проходить протягом всього півперіоду.

Із збільшенням кута зсуву α струм проходить по колу протягом меншого інтервалу часу, в результаті чого зменшується випрямлена напруга і струм у навантаженні. При зсуві керуючого сигналу на α = π тиристор буде закритий протягом всього періоду, струм і напруга на навантажені дорівнюватиме нулю.