НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Лабораторная работа №1

Тема работы: «ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ

НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получение практических навыков по исследованию однофазных одно- и двухполупериодных схем выпрямления и сглаживающих LC -фильтров

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Выпрямителем называют устройство, служащее для преобразования переменных напряжения и тока в постоянные, которые необходимы для питания ряда электронных устройств.

Обобщённая структурная схема однофазного выпрямителя на полупроводниковых приборах, состоящая из трансформатора, выпрямительного блока, сглаживающего фильтра и стабилизатора, приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Обобщённая структурная схема однофазного выпрямителя на полупроводниковых приборах

 

Трансформатор Тр предназначен для согласования входного (се­тевого) напряжения u ₁ и выходного (выпрямленного) u_н напряжения нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию выпрямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (тока) в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрямителя необходим блок управления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения u_н. В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживающий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебаниях напряжения сети и при изменении сопротивления нагрузки. В зависимости от условий работы и предъявляемых требований к выпрямителю отдельные его узлы могут отсутствовать.

Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью нелинейных элементов с несимметричной ВАХ, обладающих вентиль­ными свойствами (односторонней проводимостью). Это свойство характерно для электрова­куумных, ионных и полупроводниковых приборов. В данной работе будут исследоваться выпрямители на полупроводниковых приборах, которые в настоящее время находят наибольшее применение.

Идеальный электрический вентиль не имеет потерь, его сопротивление в проводящем направлении от анода А к катоду К (рисунок 1.2) равно нулю, в непроводящем - бесконечности, т. е. ВАХ имеет вид 2 в отличие от ВАХ 1 реального вентиля. Простейшие вентили (диоды) являются неуправляемыми, а вентили (тиристоры, транзисторы, электронные лампы), имеющие третий (управляющий) электрод, составляют широкий класс управляемых вентилей.

С учетом рассмотренных типов вентилей и предъявляемых требований к качеству напряжения питания нагрузочных устройств, строят различные схемы выпрямления, т. е. устройства, называемые выпрямителями.

Классификационные признаки выпрямителей:

· неуправляемые (U_н = const) и управляемые (U_н = var);

· однотактные и двухтактные;

· однофазные и многофазные (чаще трехфазные);

· малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности;

· низкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.

Рисунок 1.2 ВАХ реального (1) и идеального (2) вентиля

 

Основные параметры выпрямителя:

· U_ср (I_ср) - среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;

· U_m.ог - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

· q_n = U_m.ог / U_ср - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;

· S - мощность трансформатора (в вольтамперах - В×А или в киловольтамперах - кВ×А);

· I_пр.ср - прямой средний ток вентиля;

· U_пр.ср - среднее напряжение (менее 2 В) на вентиле при токе I_пр.ср;

· U_обр.max и I_пр.max - максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля.

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Мощность однофазных неуправляемых выпрямителей переменного тока колеблется от десятков до нескольких сотен ватт. Основными схемами однофазных выпрямителей являются: однополупериодная и двухполупери­одная (мостовая или со средней точкой).

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рисунок 1.3, а) с активной нагрузкой является простейшей из известных схем выпрямления. Она состоит из силового трансформатора Тр, одного вентиля (диода) VD и нагрузки R_н. Первичная обмотка трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением u ₁; к вторичной обмотке с напряжением u ₂ последовательно подключены диод VD и нагрузка (резистор R_н).

Временные диаграммы напряжения u ₂ вторичной обмотки трансформатора, напряжения на нагрузке u_н и на вентиле u_d представлены на рисунке 1.3, б, в и г.

Ток i_н в нагрузке протекает только при положительной полуволне вторичного напряжения u ₂ трансформатора, т. е. когда напряжение на аноде диода более положительное, чем на его катоде. При этом напряжение на диоде U_пр < 2 В. При отрицательной полуволне u ₂ диод закрыт, максимальное обратное напряжение на диоде U_обр.max » U _{2 m}.

Ток в нагрузке R_н протекает только в один полупериод синусоидального напряжения, отсюда название выпрямителя – однополупериодный.

Среднее выпрямленное напряжение и ток за период

.

Амплитуда U_m.ог основной гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,

Тогда коэффициент пульсации

Рисунок 1.3 - Однофазная однополупериодная схема выпрямления, временные диаграммы токов и напряжений

 

Однофазные полупроводниковые выпрямители используют для питания устройств, требующих малого тока и высокого напряжения, например, для питания электронно-лучевых трубок, трубок рентгеновских аппаратов и др.

К недостаткам этих выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД; малое значение выпрямленного напряжения (U_ср » 1/3 U _{2 m}); высокий уровень пульсаций (q_n = 1,57) и большое обратное напряжение на диоде (U_обр » U _{2 m}).

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рисунок 1.4, а) состоит из трансформатора Тр и четырех диодов, собранных по мостовой схеме.

Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ – с нагрузкой R_н. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов вентилей, отрицательным – точка соединения анодов. Временные диаграммы выпрямленного напряжения u_н и тока i_н приведены на рисунке 1.4, б.

Рисунок 1.4 - Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

 

В положительный полупериод синусоидального напряжения u ₂, когда точка 1 находится под положительным, а точка 2 под отрицательным потенциалами, ток i ₂ ' протекает через вентиль VD 1, сопротивление нагрузки R_н и вентиль VD 3. Вентили VD 2 и VD 4 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным нап­ряжением.

Во второй полупериод, когда в точке 1 вторичной обмотки отрицательный потенциал, а в точке 2 – положительный, ток i ₂'' протекает через вентиль VD 2, резистор R_н и вентиль VD 4 в направлении, указанном стрелками с одним штрихом. Вентили VD 1 и VD 3 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением.

Таким образом, токи i ₂ ' и i ₂'', протекающие через нагрузку R_н, совпадают по направлению. Кривые напряжения и тока на нагрузке (см. рис. 1.4, б) повторяют (при прямом напряжении на диодах U_пр » 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения U _{2 m}.

Среднее значение выпрямленного напряжения и тока (постоянные составляющие):

, где

Амплитуда основной (второй) гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,

Тогда коэффициент пульсации

Обратное напряжение на вентиле

В двухполупериодной схеме выпрямления в сравнении с однополупериодной значительно лучше используется трансформатор, меньше коэффициент пульсации (q_п » 0,67), хотя его величина остается значительной.

 

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Требования к уровню пульсации питающего электронную аппаратуру напряжения очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации q_n для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1…2 %, однотактных усилителей 0,1…0,5 %, а усилителей промежуточной частоты – 0,01…0,05 %.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания k_c, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя q_n (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке q_{n 1} (после фильтра), т. е.

Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC -фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока.

На рисунке 1.5 приведены схемы простейших однофазных сглаживающих LC -фильтров широкого применения.

Рисунок 1.5 - Схемы простейших однофазных сглаживающих LC -фильтров широкого применения

 

Ёмкостный фильтр С (рисунок 1.5, а) включается параллельно высокоомной нагрузке R_н, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока.

Сглаживание пульсаций напряжения и тока нагрузки происходит за счёт периодической зарядки конденсатора С фильтра (когда напряжение u_в > u_С) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки при u_в < u_С.

Временные диаграммы выпрямленного напряжения u_в двухполупериодного выпрямителя и напряжения на нагрузке u_н, поясняющие принцип действия C -фильтра, изображены на рисунке 1.6, а.

Рисунок 1.6 – Временные диаграммы

 

Требуемая ёмкость конденсатора фильтра при заданном коэффициенте пульсации q_{n 1}:

- для однополупериодной схемы выпрямления

С ³ 2/(q_{n 1} wR_н);

- для двухполупериодной схемы выпрямления

С ³ 1/(2 q_{n 1} wR_н),

где w - угловая частота напряжения u ₂ трансформатора.

Коэффициент пульсации обычно выбирается в диапазоне q_{n 1} = 0,01…0,1.

Пусть q_{n 1} = 0,1 и R_н = 320 Ом. Тогда С ³ 2/(0,1×314×320) » 200 мкФ для однополупериодной и С ³ 50 мкФ для двухполупериодной схемы выпрямления.

Одноэлементный L -фильтр (рисунок 1.5, б) включают последовательно с нагрузкой R_н. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i_н магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения u_в ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рисунок 1.6, б). Коэффициент сглаживания L -фильтра

Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление R_н мало) L -фильтр действует наиболее эффективно.

Требуемая индуктивность дросселя при заданном коэффициенте k_c

где п – но­мер основной гармоники выпрямленного напряжения u_в.

Например, при заданном коэффициенте k_c = 10 и R_н = 10 Ом требуемая индуктивность дросселя L ³ k_cR_н /(nw) = 10×10/314 = 0,32 Гн для однополупериодной и L ³ 0,16 Гн для двухполупериодной схемы выпрямления.

В LC-фильтре (рисунок 1.5, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей , а сопротивление дросселя X_L по переменной составляющей должно быть значительно больше сопротивления Z_пар параллельно соединенных элементов R_н и X_C. Приняв Z_пар = X_C, коэффициент сглаживания LC -фильтра

Тогда для расчёта L и C получаем

Из этого равенства находят L, задаваясь С, или находят С, задаваясь L.

Если при расчёте LC -фильтра мощного выпрямителя получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С > 150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный СRC -фильтр: одноэлементное C ₁-звено и Г -образное RC -звено (рисунок 1.5, г), у которого

,

где k_{c 1} и k_{c 2} – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев.

Активное сопротивление R и ёмкость С RC -фильтра:

; ; .

Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после С -фильтра обычно включают дополнительное Г -образное LC -звено. Получившийся П -образный СLС -фильтр (рисунок 1.5, д) рассчитывают как двухзвенный:

.

Пусть R_н = 320 Ом; и Тогда для однополупериодной схе­мы вы­п­рямления 200 мкФ, а

= с².

Зададим С ₂ = 100 мкФ. Отсюда L = » 1,12 Гн.

Для двухполупериодной схемы выпрямления при С ₂ = 100 мкФ требуемая индуктивность дросселя L » 0,28 Гн.