Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель — Club155.ru

 

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)}\) , представлены на рис. 3.4-1б.

 

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

На интервале времени \(\left[ {0;} T/2 \right]\) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале \(\left[ T/2 {;} T \right]\) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

\(U_{н ср} = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T} U_н \operatorname{d}t = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d}t = \)

\(= — \cfrac{U_{вх max}}{T \omega} \cos{\left( \omega t \right)}{\huge \vert \normalsize}_{0}^{T/2} \approx \cfrac{U_{вх max}}{\pi} = \sqrt{2} \cfrac{U_{вх д}}{\pi}\),

где \(U_{вх д}\) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

 

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

\(I_{н ср} = \cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi} I_{max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d} t \approx \cfrac{I_{max}}{\pi} = {0,318} \cdot I_{max} \),

где \(I_{max}\) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

 

Действующее значение тока нагрузки \(I_{н д}\) (через диод протекает такой же ток):

\(I_{н д} = \sqrt{\cfrac{I_{max}^2}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi^{ }} \sin{\left( \omega t \right)}^2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \) 

 

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

\(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} — \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left( 2 \omega t \right)} — \)

\( — \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left( 4 \omega t \right)} — {…} \)

 

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

\(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\). 

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

 

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

 

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

 

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

 

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

 

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \( \beta\) принято называть

углом отсечки.

 

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

 

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

\( I_д = \cfrac{U_{вх} — U_н}{r} \) , 

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя

).

 

Учитывая, что \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \):

\(I_д = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{\left( \omega t \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(\sin{\left(\varphi \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right)\)   (3.4.1)

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left[\pi/2 – \beta ; \pi/2 + \beta \right]\):

\(I_{д ср} =\cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{\frac{\pi}{2} — \beta}^{\frac{\pi}{2} + \beta} \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{ \left( \varphi \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right) \operatorname{d} \varphi =\)

\(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left( \sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)} \right) \)  

 

Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left( \beta \right)}} \):

\(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left( \beta \right) \),

где \( A \left( \beta \right) = \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}} = \operatorname{tg} \left( \beta \right) — \beta \)    (3.4.2)

 

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

 

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

\( I_{д max} = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_н}{r} \cdot \cfrac{\pi \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\cos{\left( \beta \right)}} \)

 

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

\( I_{д max} = \cfrac{I_{д ср} \cdot \pi}{A \left( \beta \right)} \cdot \cfrac{1- \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}}\), где \(F \left( \beta \right) = \cfrac{\pi \cdot \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}\)

 

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

 

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

 

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

\( С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

 

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

 

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

 

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

\( U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} = L \cfrac{\operatorname{d} I_н}{\operatorname{d} t} + I_н R_н \)

Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

\(I_н(t) = \cfrac{U_{вх max}}{\sqrt{R_н^2 + {\left( \omega L \right)}^2}} \left( \sin{\left( \omega t — \theta \right)} + e^{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{( \theta )} \right) \),

где \( \theta = \operatorname{arctg} \left( \cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

 

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Пример расчета выпрямителя напряжения.

Требуется рассчитать выпрямитель для зарядного устройства по следующим данным: номинальное выпрямленное напряжение U₀ = 15 В; номинальный выпрямленный ток I₀ = 7 А; допустимый коэффициент пульсаций K_П% = 1,5; напряжение питающей сети U_С = 220 В; частота сети f = 50 Гц. В качестве исходной схемы возьмем мостовую схему, рис. 6.7, выполненную с использованием германиевых диодов..

1. Структурная схема вторичного источника питания приведена на рис. Рядом с ней приведено название и назначение всех составных частей схемы.

2. Выбираем схему выпрямителя согласно номера варианта, приводим ее в отчет и поясняем назначение всех элементов схемы.

Схема выпрямителя напряжения приведена на рис.6.7 . В ней

Тр — трансформатор напряжения, служит для преобразования амплитуды переменного напряжения до необходимой величины;;

диоды VD1-VD4 образуют схему мостового выпрямителя ;

конденсатор С₀ служит сглаживающим фильтром, уменьшая пульсации напряжения на нагрузке;

резистор Rн я является нагрузкой выпрямителя.

3. Выполнить расчет трансформатора (т.е. определить его мощность по вторичной обмотке, коэффициент трансформации, определить его типовую мощность).

3.1. Рассчитаем внутреннее сопротивление диода

где U_пр – прямое падение напряжения на вентиле (0,4 – 0,5 В для германиевых диодов и 1,0 – 1,1 В для кремниевых диодов), k_В – коэффициент, учитывающий динамические свойства характеристики диода (2,0 – 2,2 для германиевых диодов и 2,2 – 2,4 для кремниевых диодов), I_ОВ – среднее значение тока вентиля выбирается по табл. 6.3 для соответствующей схемы выпрямления.

3.2. Рассчитаем активное сопротивление обмоток трансформатора.

где k_r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, определяется по таблице 7; B – магнитная индукция в сердечнике, Т. Величину магнитной индукции В для трансформаторов мощностью до 1000 Вт можно предварительно принимать равной 1,2 – 1,6 Т для сети с частотой тока 50 Гц и 1,0 – 1,3 Т для сети с частотой тока 400 Гц; f – частота переменного тока питающей сети; s – число стержней сердечника трансформатора (s = 1 для броневой, s = 2 для стержневой и s = 3 для трехфазной конфигурации магнитопровода).

3.3.Активное сопротивление фазы выпрямителя

R = R_B + R_ТР = 0,31 + 0,104 = 0,414 Ом.

Определим основной расчетный коэффициент выпрямителя А:

Определим вспомогательные коэффициенты В и D по графикам на рис. 6.11.

Получаем :В = 1,1; D = 2,1.

Определим параметры трансформатора (таблица 6.3)

Действующее напряжение вторичной обмотки

U₂ = B·U₀ = 1,1·15 = 16,5 В.

Действующий ток вторичной обмотки

I₂ = 0,707 DI₀ = 0,707·2,1·7 = 10,39 A.

Коэффициент трансформации k_m = U₁/U₂ . k_m = U₁/U₂=220/16,5=

Рассчитаем действующий ток первичной обмотки

I₁ = 0,707 DI₀/k_m,

I₁ = 0,707·2,1·7·16,5/220 = 0,779 A.

Рассчитаем типовая мощность трансформатора

P_ТИП = 0,707 BDU₀I₀ = 0,707·1,1·2,1·15·7 = 171,48 Вт

Рис. 6.11 — Зависимость параметров В и D от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент F по графику на рис. 6.12.

Получим F = 5,5.

Рис. 6.12 — Зависимость параметра F от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент H по графику на рис. 6.13.

Получим H = 490.

Рис. 6.13 — Зависимость параметра Н от параметра А при частотах тока сети 50 и 400 гц

4. Выполнить расчет выпрямителя (исходя из выбранного типа выпрямителя и формул для выпрямителей такого типа, заданного типа диодов — определить количество диодов в схеме, выполнить проверку по току и по напряжению).

Определим токи и напряжения на диоде (табл. 6.3)

Обратное напряжение на диоде:

U_обр = 1,41·BU₀ = 1,41·1,1·15 = 23,26 B.

Среднее значение тока диода

I_0В = 0,5I₀ = 0,5·7 = 3,5 A.

Действующее значение тока диода

I_В = 0,5DI₀

= 0,5·2,1·7 = 7,35 A.

Амплитудное значение тока диода

I_В.макс = 0,5FI₀ = 0,5·4·7 = 14 A.

Число диодов 4.

Для данного выпрямителя можно использовать диоды типа Д305, имеющие U_{обр. макс.}= 50 В, I_0В = 10 А (справочные данные). Данные диоды имеют значительный запас по величине наибольшей амплитуды обратного напряжения и наибольшему выпрямленному среднему значению тока.

5. Выполнить расчет сглаживающего фильтра.

5.1. Предварительный расчет выполнить из условия, что в качестве фильтра используется единичный конденсатор. Если емкость получится не более 1 Ф, то этого достаточно и фильтр будет простейшим. При расчете фильтра следует учитывать, что коэффициент сглаживания q= ε_вх/ε_вых, где ε_вх – коэффициент пульсаций на входе фильтра, а ε_вых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра перед нагрузкой. При расчетах необходимо, в соответствии со схемой фильтра, использовать следующие формулы :

, где m_сх – фазность выпрямителя (=1 для однополупериодного и =2 для двухполупериодного ),R_н – нагрузка блока питания, С – емкость, которую нужно установить после выпрямителя, ω=2πf — угловая частота, ƒ=50Гц-сетевая частота, определить сопротивление нагрузки можно из требуемой от блока питания мощности и параметров напряжения по формуле: .

5.2. Если при расчете окажется , что емкость конденсатора 1Ф и более, то необходимо рассчитать «Г»-образный LC или RC фильтр — тип на усмотрение студента. Нужно использовать формулы или

. При этом за емкость фильтра принять половинную емкость из предварительного расчета.

Расчет емкости конденсатора фильтра

.

Выбираем электролитический конденсатор типа с рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000 мкФ.

6.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два p — n перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. В зависимости от чередования p и n областей различают транзисторы с p — n — p и n — p — n структурой, рис.6.14. Средний слой биполярного транзистора называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в электрическую цепь. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков – свободных дырок и электронов.

Рис. 6.14. Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов p — n — p типа (а) и n — p — n типа (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.6.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.6.15, б, в.

Рис. 6.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой, б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Толщина базы выбирается достаточно малой, чтобы дырки, двигаясь через базу, не успели рекомбинировать с электронами в области базы. Таким образом, основная часть дырок пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются электрическим полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в цепи коллектора ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I_Э:

I_К ≈ α I_Э.

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U_ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

Входные характеристики устанавливают зависимость тока базы I_Б от напряжения эмиттер — база U_ЭБ при неизменном напряжении коллектор — эмиттер U_КЭ. Входные (базовые) статические характеристики для схемы ОЭ германиевого транзистора p — n — p типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, повышение напряжения на нем приводит к увеличению тока, подобно характеристики полупроводникового диода.

Выходные (коллекторные) статические характеристики устанавливают связь между коллекторным током I_К и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б. Выходные характеристики транзистора ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены на рис.6.17.

В электронных устройствах широко используется схема усилителя с общим эмиттером, представленная на рис.6.18. В качестве усилительного элемента в данном случае используется транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки усилительного каскада R_К включено в коллекторную цепь транзистора. Входное усиливаемое напряжение U_ВХ подается на базу транзистора. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения Е_К.

Рис. 6.16. Входные статические характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.17. Выходные характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.18. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U_КЭ = U_ВЫХ при наличии нагрузки R_К в его цепи, как следует из рис. 6.18, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U_КЭ = Е_К – R_К·I_К.

на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U_КЭ и I_К в уравнении нагрузки. При U_КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I_К = Е_К /R_К, точку 2 получаем при I_К = 0, U_КЭ = Е_К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R_К = 100 Ом, Е_К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

6.5. Пример расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на рис. 6.18, определить основные параметры усилителя при следующих значениях номиналов элементов схемы: транзистор ГТ320А, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 6.16, 6.17; резисторы в цепи базы транзистора R₁ = 500 Ом, R₂ = 300 Ом; резистор в коллекторной цепи R_K = 100 Ом; источник питания усилительного каскада E_K = 10 В; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты, подлежащего усилению U_m = 0,1 В.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:

1. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.

3. Входное сопротивление усилительного каскада, R_ВХ.

4. Выходное сопротивление усилительного каскада, R_ВЫХ.

5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K_U.

6. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

Режим покоя усилительного каскада, при котором U_ВХ = 0, определяет положение рабочей точки на семействе выходных характеристик на рис. 6.17. Положение рабочей точки (точка А) определяется значениями сопротивлений базовых резисторов R₁, R₂, коллекторного резистора R_K при заданном значении напряжения питания Е_К. Резисторы R₁, R₂ создают на входе усилительного каскада в режиме покоя эквивалентную ЭДС, равную

Эквивалентное базовое сопротивление каскада равно

По второму закону Кирхгофа для входной цепи в режиме покоя имеем:

E_ЭКВ = I_БR_Б + U_БЭ,

где U_БЭ — напряжение между базой и эмиттером в режиме покоя.

Данное уравнение изображается на входной характеристике транзистора в виде прямой линии (линии нагрузки), построение которой проходит путем нахождения двух характерных точек: в режиме холостого хода, когда I_Б = 0, имеем U_БЭ = E_ЭКВ= 0,56 В; и в режиме короткого замыкания — U_БЭ = 0, имеем I_Б = E_ЭКВ/R_Б = 0,56/283 = 0,00198 А = 1,98 mА. В результате пересечения линии нагрузки с входной характеристикой I_Б = f(U_БЭ), при U_КЭ = — 5 В находим положение точки покоя (рабочей точки) I_Б0 = 0,48 мА, U_БЭ0 = 0,43 В.

Положение рабочей точки на коллекторных характеристиках получается при пересечении линии нагрузки с характеристикой I_K = f(U_КЭ), при I_Б0 = 0,48 mА. Построение данной характеристики проводим приближенно, она лежит между характеристиками при I_Б = 0,4 mА и I_Б = 0,6 mА. Таким образом, в коллекторной цепи рабочая точка будет соответствовать значениям I_K0 = 35 mА и U_КЭ0 = 6,6 В.

При работе транзисторов в качестве усилителей малых электрических сигналов, свойства транзисторов определяются с помощью, так называемых, h – параметров. Всего h – параметров четыре: h₁₁, h₁₂, h₂₁ и h₂₂. Они связывают входные и выходные токи и напряжения транзистора и определяются для схемы ОЭ, рис.6.15, б, по следующим выражениям:

h₁₁ = ∆U_ВХ/∆I_ВХ = ∆U_БЭ/∆I_Б при неизменном напряжении. U_ВЫХ = U_КЭ = const.

Параметр h₁₁ численно равен входному сопротивления схемы ОЭ. Знак ∆ обозначает приращение соответствующей величины тока или напряжения.

h₁₂ = ∆U_ВХ/∆U_ВЫХ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₁₂ равен коэффициенту обратной связи по напряжению.

h₂₁ = ∆I_ВЫХ/∆I_ВХ = ∆I_К/∆I_Б при U_КЭ = const.

Параметр h₂₁ равен коэффициенту прямой передачи по току.

h₂₂ = ∆I_ВЫХ/ ∆U_ВЫХ = ∆I_К/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₂₂ равен выходной проводимости транзистора.

Значения h – параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик транзистора. Параметры входной цепи h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам транзистора, рис.6.16. Рабочая точка А определяется при пересечении линии нагрузки с входной характеристикой транзистора при U_КЭ = — 5 В. В результате чего имеем U_КЭ0 = 0,43 В, I_Б0 = 0,48 mА. В данной рабочей точке задаем приращение тока базы ∆I_Б при постоянном напряжении коллектора U_КЭ = — 5 В и находим получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ. Тогда входное сопротивление транзистора равно

h₁₁ = ∆U_БЭ/∆I_Б = 0,1 В/ 0,3 mА = 333 Ом.

Затем при постоянном токе базы I_Б = 0,48 mА задаем приращение напряжения коллектора ∆U_КЭ = 5 В и определяем получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ= 0,25 В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению равен

h₁₂ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ= 0,25 /5 = 0,05.

Параметры h₂₁ и h₂₂ определяют по выходным характеристикам транзистора, рис.6.17. В районе рабочей точки А (I_Б = 0,48 mА, U_КЭ = — 5 В) при постоянном токе базы I_Б = 5 mА задаем приращение коллекторного напряжения ∆U_КЭ = 5 В и находим при этом приращение тока коллектора ∆I_К2 = 5 mА. Тогда выходная проводимость транзистора равна

h₂₂ = ∆I_К2/∆U_КЭ = 5 mА /5 В = 1,0 мСм.

Далее при постоянном напряжении коллектора U_КЭ= 5 В задаем приращение тока базы ∆I_Б = 0,2 mА и определяем получающееся при этом приращение тока коллектора ∆I_К1 = 20 mА. Тогда коэффициент передачи по току равен

h₂₁ = ∆I_К1/∆I_Б = 20 mА / 0,2 mА = 100.

Входное сопротивление усилительного каскада равно:

Выходное сопротивление усилительного каскада равно:

Коэффициент усиления по напряжению

Величина выходного напряжения усилительного каскада

U_ВЫХ = К_UU_ВХ = 27,3·0,1 = 2,73 В.

Контрольные вопросы к зачету (экзамену) по разделу » Основы электроники».

1. Зонная структура собственного полупроводника. Что такое валентная зона? Что такое зона проводимости? Что такое запрещенная зона? Проводимость собственного полупроводника.

2. Зонная структура и проводимость акцепторного полупроводника..

3. Зонная структура и проводимость донорного полупроводника Что такое основные носители? Что такое не основные носители? Механизм генерации неосновных носителей заряда.

4. Технология изготовления p-n — перехода. Образование p-n — перехода. Основные параметры p-n — перехода.

5. P-n- переход в равновесном состоянии. Потенциальный барьер?

Токи через п-р переход?

6. P-n переход смещенный в прямом направлении? Потенциальный барьер? Токи через p-n — переход.

7. . P-n — переход смещенный в обратном направлении? Потенциальный барьер? Токи через п-р переход?

8. Идеальная характеристика p-n — перехода .

9. Диод. Типы диода. Условные обозначения. Рабочая схема диода. Вольт – амперная характеристика диода. Ее отличия от идеальной вольт – амперной характеристики.

10. Лавинный пробой. Механизм развития. Тепловой пробой. Емкости п-р – перехода.

11. Параметры и маркировка диода.

12. Биполярный транзистор .Типы транзистора. Схемы включения .

13. Принцип действия, токи транзистора.

14. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

15. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

16. Предельно-допустимые параметры транзисторов. Маркировка.

17. Полевые транзисторы. Типы транзисторов . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка

18. Тиристоры. Типы тиристоров . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка.

19. Оптоэлектронные приборы. Фотоприемники.

20. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие приборы

19. Микросхемы. Классификация , маркировка назначение.

20. Вторичные источники тока. Блок-схема, назначение.

21. Полупроводниковые выпрямители. Электрические схемы и принцип работы выпрямителя. Электрические фильтры.

22. Стабилизаторы напряжения и тока.

23. Тиристорные преобразователи.

24. Классификация и принцип действия усилителей переменного тока.

25. Анализ работы однокаскадного усилителя.

26. Обратные связи. Их влияние на параметры усиления.

27. Многокаскадные усилители.

28. Усилители постоянного тока . Операционный усилитель.

29. Автогенераторы , LC — типа и генераторы RC- типа.

30. Транзисторный ключ.

31. Логические операции и способы их аппаратной реализации.

32. Логические схемы.

33. Микропроцессор.

34. Электрические измерения.

35. Электрические приборы.

89

10 Расчет параметров выпрямительных устройств » СтудИзба

Любые упражнения по изучению электротехники необходимо начинать с проработки лекционного материала и соответствующего раздела в учебнике. Следует также выучить правила составления уравнений и свойств соединений элементов схем.

СЕМИНАР 11

Расчет  параметров выпрямительных устройств

Задача 1

В однополупериодном выпрямителе с емкостным фильтром рис 1, рассчитать U_нср и U_{обрмакс}, если С_ф = ∞, U₂ = 150 В, частота напряжения сети 50 Гц, R_{н= 2 кОм, построить временную диаграмму выпрямителя.}

Решение: Сф = ∞, следовательно р = 0 Uнср =√2·U2 / (1 + р) = 212 В Iнср = Uнср/ Rн = 212 / 2000 = 0,106 А Iпрд = Iнср = 0,106 А Uобр макс = 2√2·U2 = 424 В

Задача 2

В двухполупериодной мостовой схеме выпрямителя с фильтром, напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂ = 150 В. Частота напряжения сети 50 Гц, R_{н= 2 кОм, при условии, что емкость фильтра равна ∞. Определить среднее значение выпрямленного напряжения Uнср,  значения: Iпрд , Iнср, Uобрмакс, коэффициент пульсаций?}

Решение:

С_ф = ∞, следовательно, р = 0

U_нср =√2·U₂ / (1 + р) = 212 В

I_нср = U_нср/ R_н = 212 / 2000 = 0,106 А

U_{обр макс} = √2·U₂ = 212 В

Задача 3

Определите емкость конденсатора фильтра С_ф в мостовом выпрямителе, если выпрямленное напряжение U_{нср= 12 В, ток Iнср= 10 мА, а коэффициент пульсаций  не должен превышать 0,05.}

Решение:

Задача 4

В однополупериодном выпрямителе  с емкостным фильтром рис. 1, напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂ = 10 В. Частота напряжения сети 50 Гц,  R_н = 1 кОм, С_{ф= 80 мкФ.}

Определить среднее значение выпрямленного напряжения U_нср, I_нср, U_{обр макс}, коэффициент пульсаций р, построить временные диаграммы.

Решение:

U_нср =√2·U₂ / (1 + р) = 14,1/(1 + 0,2) = 11,75 В

U_{обр макс} = 2√2·U₂ = 28,2 В

τ_разр = С·R_н = 0,05 с

Строим временные диаграммы рис. 3:

Задача 5

В однополупериодном выпрямителе с фильтром рис. 1, напряжение на нагрузке U_нср = 40 В, коэффициент пульсаций  не должен превышать 0,05.

С каким U_{обрмакс} нужно выбрать полупроводниковый диод?

Решение:

U_{обрмакс} = 2√2·U₂,

                  U_{обрмакс} = 84 В

Задача 6

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель имеет на входе напряжение 150В. Построить временную диаграмму, при угле регулирования 90 градусов. Построить регулировочную характеристику выпрямителя.

Решение:

 

         Регулировочная характеристика:

Временные диаграммы:

Расчет однополупериодного выпрямителя — КиберПедия

Цель: Формирование у студента компетенций ПК-18, ПК-38.

 

Теоретическая часть

Однополупериодный выпрямитель. Однополупериодный выпрямитель (рисунок 2.1 а) состоит из трансформатора, ко вторичной обмотке которого последовательно присоединены диод VDи нагрузочный резистор .

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у транс­форматора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС (рисунок 2.1 б).

а) б)

 

в)

Рисунок 2.1

 

Работу выпрямителя рассматривают с помощью временных диаграмм (рисунок 2.1 б, в). В первый полупериод, т.e. в интервале времени 0 – Т/2, диод открыт и в нем появляется ток , а в нагрузочном резисторе – ток , причем . Падение напряжения на диоде . В интервале времени Т/2 – Т диод закрыт, ток , а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение т.е. , тогда , где – действующее значение напряжения во вторичной обмотке.

Основными электрическими параметрами однополулериодного выпрямителя являются:

– средние значения выпрямленных тока и напряжения и ;

– мощность нагрузочного устройства ;

– амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ;

– коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ;

– коэффициент полезного действия ,

где – мощность потерь в трансформаторе, а – мощность потерь в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 2.1):

, (2.1)

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

. (2.3)

Коэффициент пульсаций можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

,

.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Недостатками этого выпрямителя являются: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения. Вместе с тем, следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что в свою очередь снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Диод в выпрямителе является основным элементом, поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. При выборе типа диодов необходимо знать:

– среднее значение прямого тока ;

– максимальное обратное напряжение на диоде . Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется, чтобы каталожные параметры превышали рассчитанные значения примерно на 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотипных диодов. Однако эти диоды должны быть зашунтированы сопротивлением, примерно равным .

Промышленность выпускает полупроводниковые диодные столбы (например, КЦ 106, КЦ 201). Выпрямительный столб – это группа последовательно соединенных диодов, помешенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения свыше 15 кВ.

 

Задачи

1. В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора В, частота сети = 50 Гц. Сопротивление диода в прямом направлении = 0. Для нагрузочного резистора сопротивлением 200 Ом определить средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, среднее значение тока в диоде , максимальное обратное напряжение диода . Выбрать параметры необходимого диода.

2. В схеме однополупериодного выпрямителя задан диод КД208А с параметрами = 1,5 А и = 100 В. Определить максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора и мощность, выделяемую в нагрузке = 200 Ом.

3. Определить среднее и максимальное значение прямого тока, а также максимальное обратное напряжение полупроводникового диода в однополупериодном выпрямителе (рисунок 2.1 а) и коэффициент трансформации трансформатора, если на нагрузочном резисторе сопротивлением = 3 кОм среднее значение выпрямленного напряжения =180 В. Напряжение сети В. Сопротивление диода в прямом направлении и обратный ток считать равными нулю.

4. Определить амплитуду тока в нагрузочном резисторе сопротивлением = 2,5 кОм однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.1 а), если напряжение на первичной обмотке трансформатора В, коэффициент трансформации п = 0,4. Сопротивление диода в прямом направлении считать равными нулю.

5. Для питания постоянным током потребителя мощностью 250 Вт при напряжении U_d= 100 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, подобрав диоды из справочника. Указать допустимые параметры для выбранного диода.

 

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит однополупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и его средним значением.

3. Пояснить связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

4. Что называется коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения?

5. Чему равен коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

6. Какое условие используется при выборе диодов после расчета однополупериодного выпрямителя?

7. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

8. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

 

 

Практическое занятие 3

Типы выпрямителей переменного тока.

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

5. Методика расчета однофазных выпрямителей переменного тока

Выпрямители являются вторичными источниками питания радиоэлектронной аппаратуры, для которых первичным источником электропитания является сеть переменного тока или выходная обмотка трансформатора. Выпрямители используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители располагаются между трансформатором переменного напряжения и сглаживающим фильтром или стабилизатором напряжения и в основном работают на емкостную нагрузку.

Для выпрямления в настоящее время используются в основном полупроводниковые вентили (диоды). Существует три основных схемы однофазных выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая (рис.6). Однополупериодную схему выпрямления применяют в основном при небольших мощностях нагрузки, когда не требуется малая амплитуда пульсаций выходного напряжения. Частота пульсаций выходного напряжения для этой схемы равна частоте питающей сети переменного тока. Двухполупериодную схему используют при выходных мощностях до 100 Вт и напряжениях до 500 В. Частота пульсаций выходного напряжения для этой схемы в два раза выше частоты питающей сети переменного тока. Недостатком такой схемы является необходимость иметь две одинаковые обмотки трансформатора, а достоинством – наличие только двух выпрямляющих вентилей. Мостовая схема выпрямления характеризуется хорошим использованием энергии трансформатора и используется при выпрямлении больших мощностей (до 1000 Вт). Обратное напряжение на выпрямляющих вентилях в этой схеме в 2 раза ниже, чем в предыдущих схемах выпрямления. Кроме того, для такой схемы необходима только одна обмотка трансформатор Частота пульсаций выходного напряжения для этой схемы в два раза выше частоты питающей сети переменного тока.

Входными данными для расчета выпрямителя на полупроводниковых вентилях, работающего на емкостную нагрузку являются:

• напряжение на выходе выпрямителя ;

• ток на выходе выпрямителя ;

• напряжение пульсаций на выходе выпрямителя .

Эти данные были получены при расчете сглаживающего фильтра или стабилизатора напряжения.

После расчета элементов выпрямителя получим данные для расчета трансформатора:

• напряжение на входе выпрямителя (напряжение вторичной обмотки трансформатора) ;

• ток на входе выпрямителя (ток вторичной обмотки трансформатора) .

Методика расчета однофазного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку следующая.

1. Находим приблизительные значения обратного напряжения на вентиле , среднего тока, протекающего через вентильи амплитудного значения тока, протекающего через вентиль, из приблизительных соотношений, которые зависят от заданной схемы выпрямления:

— для однополупериодной или двухполупериодной схемы,

— для мостовой схемы выпрямления. (5.1)

— для однополупериодной,

— для двухполупериодной или мостовой схем выпрямления. (5.2)

— для однополупериодной,

— для двухполупериодной или мостовой схем выпрямления. (5.3)

По рассчитанным значениям ,ис помощью приложения 6 выбирают выпрямительные диоды, так чтобы максимально допустимые значения обратного напряжения, среднего и амплитудного тока выпрямительного диода превышали рассчитанные значения.

2. Находим сопротивление нагрузки выпрямителя :

. (5.4)

3. Находим сопротивление обмотки трансформатора

. (5.5)

При этом большие значения относятся к менее мощным выпрямителям.

4. Находим приблизительное значение прямого сопротивления выпрямительного диода :

, (5.6)

где — постоянное прямое падение напряжения на диоде, которое выбирается из приложения 6.

5. Определяем активное сопротивление фазы выпрямителя в зависимости от заданной схемы выпрямления из соответствующих выражений:

— для мостовой схемы выпрямления,

— для одно- и двухполупериодной схем выпрямления. (5.7)

6. Определяем значение вспомогательного коэффициента в зависимости от заданной схемы выпрямления:

— для однополупериодной схемы выпрямления,

— для двухполупериодной или мостовой схемы выпрямления. (5.8)

7. По графику рис.7а находим значения коэффициентов .

8. Находим значение напряжения на входе выпрямителя(напряжение вторичной обмотки трансформатора) и ток вторичной обмотки трансформаторав зависимости от заданной схемы выпрямления:

,— для однополупериодной схемы выпрямления,

,— для двухполупериодной схемы выпрямления,

, — для мостовой схемы выпрямления. (5.9)

9. Уточняем значение обратного напряжения и амплитудного значения тока вентильного диода в зависимости от заданной схемы выпрямления:

, — для однополупериодной схемы выпрямления,

, — для двухполупериодной схемы выпрямления,

, — для мостовой схемы выпрямления. (5.10)

Полученные значения обратного напряжения и амплитудного значения тока через выпрямительный диод не должны превышать соответствующих табличных параметров для выбранного диода, т.е.

и , (5.11)

иначе необходимо выбрать более мощные диоды и провести расчет сначала.

10. Находим требуемый коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя:

. (5.12)

Полученное значение коэффициента пульсаций не должно превышать (0.1…0.15), в противном случае его принимают равным 0.15.

11. По графику рис.7б находим вспомогательный коэффициент.

12. Определяем необходимое значение емкости конденсатора выпрямителя в мкФ:

, (5.13)

и согласно приложению 2 выбираем номинальное значение емкости конденсатора фильтра.

13. Находим рабочее напряжение конденсатора фильтра :

, (5.14)

и выбираем требуемый тип конденсатора фильтра.

4. Для последующего расчета трансформатора используют следующие рассчитанные данные:

4. Далее переходят к расчету трансформатора согласно методике раздела 6.

26. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Диаграммы и принцип работы. Основные параметры схемы.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю. Среднее значение переменного тока по отношению к подведенному действующему составит:

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом. Важно отметить, что среднеквадратичное (устар. эффективное, действующее) значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя будет в корень из 2 меньше подведенного действующего, а потребляемая нагрузкой мощность в 2 раза меньше (для синусоидальной формы сигнала)

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения Uн ср к действующему значению входного переменного напряжения Uвх д называется коэффициентом выпрямления (Kвып). Для рассматриваемой схемы Kвып=0,45.

Максимальное обратное напряжение на диоде Uобр max=Uвх max=πUн ср , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

Kп=Uпульс max01Uн ср=π2=1,57.

27. Двуполупериодный выпрямитель со средней точкой. Диаграммы работы. Принцип действия. Основные параметры.

На интервале времени [0;T/2] под действием напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом направлении (диод VD2 при этом смещен в обратном направлении) и поэтому ток в нагрузочном резисторе определяется только напряжением Uвх1. На интервале [T/2;T] диод VD1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки протекает через прямосмещенный диод VD2 и определяется напряжением Uвх2. Таким образом, средние значения тока и напряжения на нагрузочном резисторе в случае двухполупериодного выпрямления будут в два раза превышать аналогичные показатели для однополупериодной схемы:

Uвх max и Iвх max — максимальные амплитудные значения входного напряжения и тока выпрямителя (по одному из напряжений питания),

Uвх д и Iвх д — действующие значения входного напряжения и тока выпрямителя .

Отрицательным свойством двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой является то, что во время прохождения тока через один из диодов обратное напряжение на другом (закрытом) диоде в пике достигает удвоенного максимального входного напряжения: Uобр max=2Umax. Этого нельзя забывать при выборе диодов для выпрямителя.

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в данной схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций рассчитанный по методике, аналогичной описанной для схемы однофазного однополупериодного выпрямителя (разложение в ряд Фурье и выделение первой составляющей пульсаций) будет равен: Kп=0,67.

параметры смотреть в предыдущем пункте.

28. Однофазный мостовой выпрямитель. Диаграммы работы и принцип действия. Основные параметры выпрямителя.

Схема:

Диаграммы работы:

Принцип работы:

В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

где U2 ─ действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Параметры:

• Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

• Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2ω

следовательно,

29. Назначение сглаживающих фильтров. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. Особенности работы. Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами

Сглаживающий фильтр — устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, при которой обеспечивается нормальная работа питаемой аппаратуры или её каскадов.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.

Особенности работы.

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя. В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя Uвх больше напряжения на нагрузке Uн и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через Rн, предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (1/ωC ≪Rн). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (Uн ≈const).

30. Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметрические стабилизаторы.

Основные параметры стабилизатора: 1. Коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и выходного напряжений. Коэффициент стабилизации характеризует качество работы стабилизатора.

2. Выходное сопротивление стабилизатора Rвых = Rдиф Для нахождения Кст и Rвых рассматривается схема замещения стабилизатора для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току Rдиф является параметром стабилизатора.

Дифференциальное сопротивление Rдиф определяется из уравнения:

Для схемы замещения получаем коэффициент стабилизации с учетом, что Rн >> Rдиф и Rбал >> Rдиф,:

Параметрический стабилизатор:

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения

Кст = 5 ÷ 30 Для получения повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов. Параллельное включение стабилитронов не допускается. С целью увеличения коэффициента стабилизации возможно каскадное включение нескольких параметрических стабилизаторов напряжения.

31. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов. Принципиальная схема непрерывного стабилизатора напряжения. Получить выражение для выходного напряжения. Недостатки таких стабилизаторов.

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Непрерывный

Принципиальная схема стабилизатора напряжения непрерывного действия приведена на рис. б. Здесь роль ИЭ выполняет делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Балластный резистор R_б и стабилитрон VD представляют собой маломощный параметрический стабилизатор, выполняющий роль ИОН. Операционный усилитель (ОУ) DA, включенный по схеме дифференциального усилителя, выполняет роль УС. ТранзисторVT является РЭ стабилизатора.

Выходное напряжение стабилизатора можно регулировать, меняя соотношение сопротивлений делителя R₁ и R₂: