Расчет выпрямителя на полупроводниковых диодах: Выпрямители. Назначение, классификация, основные схемы и расчет. :: Электроника для всех – Расчет мостового выпрямителя — SJRacing — тюнинг комплектующие для вашего автомобиля

Содержание

мир электроники — Расчет выпрямителей напряжения

Основы электротехники

материалы в категории

Выпрямители относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока.
Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее так как назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения

Действующее значение входного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

Коэффициент пульсаций

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.

В бытовой технике однолупериодные выпрямители применяются в основном в импульсных источниках питания: из-за большой рабочей частоты (около 15 кГц а иногда и выше) пульсации не столь чувствительны и их легче сгладить.

Двухполупериодный выпрямитель

Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

U_ср = 0.9U_вх
U_вх = 1.11U_ср
I_ср = 0.9U_вх/R_н
I₂ = 0.78I_ср
p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения U_ср и I_ср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

Мостовая схема выпрямителя

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.
Положительный момент в схеме- не нужен трансформатор со средней точкой.

Трехфазный выпрямитель

Трехфазные выпрямители так-же делятся на однополупериодные и двухполупериодные: вот схемы:

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

ниже показаны диаграммы трехфазного однополупериодного выпрямителя

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения U_ср = 1.17U_вх, обратное напряжениеU_обр.max = 2.1U_ср, коэффициент пульсаций 0.25.

Двухполупериодный трехфазный выпрямитель

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно: U_ср = 2.34U_вх, U_обр.max = 1.05U_ср, p = 0.057. Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за несимметричности фазных питающих напряжений.

Примечание: сайт-источник naf-st.ru

НАШ ФОРУМ

6. Расчет полупроводникового выпрямителя для

ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

6.1. Общие сведения

Выпрямители включаются в сеть переменного тока и состоят из понижающего трансформатора, схемы выпрямления с неуправляемыми ( в нашем случае ) диодами, элементов управления и защиты.

В таблице 6.1 приведены основные технические данные аккумуляторных батарей, включая установленные параметры их заряда.

Таблица 6.1

Основные данные стартерных и тяговых аккумуляторных батарей

Тип

Марка

Номиналь-ная емкость,

А∙ ч.

Q_н

Число акку-

муляторов

в батарее

Напряжение на одном

аккумуляторе, В

заряжен-ом ном, u_н

в конце заряда, u_к

Стартер-

ные, кис-

лотные

6СТ-45

6СТ-60

6СТ-75

6СТ-145

6СТ-190

145

190

2,7

Тяговые,

щелоч-

ные

26ТЖН-250

28ТЖН-250

34ТЖН —

— 300ВМ

20ТЖН-400

28ТЖН —

— 350В

250

300

400

350

1,25

1,29

1,83

Зарядный ток батареи определяется по формуле:

(6.1)

где:

для кислотных аккумуляторных батарей;

для щелочных аккумуляторных батарей.

6.2. Схемы выпрямления

Исходя из соображений минимальной переделки заводских трансформаторов, в работе рекомендованы мостовые однофазная и трехфазная схемы выпрямления (рис.6.1). При этом однофазную мостовую схему можно использовать при выпрямленной мощности .

В табл. 6.2 приведены расчетные соотношения для элементов схем выпрямителей при работе последних на нагрузку.

В реальных же выпрямителях необходимо учитывать следующее:

1. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении фазы трансформатора.

2. Падение напряжения на вентилях (диодах) схемы выпрямления.

3, Работу выпрямителей на встречную ЭДС аккумуляторной батареи.

4. Необходимость уменьшать ток заряда (примерно вдвое) при достижении на батарее определенного напряжения (напряжения конца заряда).

6.3. Регулирование зарядного тока

Для регулировки зарядного тока целесообразно в цепь заряда последовательно включить регулировочный реостат, полное сопротивление которого рассчитывается по формуле

( 6.2 )

где: среднее выпрямленное напряжение выпрямителя при холостом ходе (без нагрузки),

;

напряжение батареи в начале заряда, В.

Здесь: для кислотных аккумуляторов;

для щелочных аккумуляторов;

число аккумуляторов в батарее (табл.6.1).

6.4. Последовательность расчета

Для заданной аккумуляторной батареи рассчитываются ток заряда
и напряжение на ней в конце заряда:.

Рис П6.1. Мостовые схемы выпрямителей

а – однофазная ; б — трехфазная

аккумуляторная батарея; трансформатор;диоды;

регулировочный реостат.

2. Рассчитывается мощность заряда батареи

(6.3)

где падение напряжения на вентилях схемы выпрямления.

3. В соответствии с рекомендациями п. 6.2 выбирается схема выпрямления, для которой по табл. 6.2 с учетоми(в таблицеи соответственно) определяются расчетные значения токов и напряжений для диодов схемы.

4. По данным расчета выбирается марка кремниевого диода (табл. 6.3 ).

При этом желательно, чтобы паспортная величина выбранного

диода было не менее, чем в 2 раза больше расчетной. Одновременно следует обратить внимание на то, что приведенные в табл. 6.3 диоды

устанавливаются на охладителях. Технические характеристики диодов обеспечиваются при специальном обдуве охладителей потоком воздуха со скоростью 6…12 м/с. Поэтому, учитывая нецелесообразность установки в нашем случае вентиляторов обдува, паспортную величину допустимого действующего прямого тока выбираемого диода схемы выпрямления следует принимать не менее двукратной от расчетной.

Таблица 6.2

Расчетные соотношения для идеальных элементов схем выпрямления

Соотношения

Схемы выпрямления

однофазная

мостовая

трехфазная

мостовая

Средний ток диода Iв.ср. ( А )

Действующее значение тока диода Iв.д. ( А )

Максимальное допустимое обратное напряже-

ние на диоде Uобр.max ( В )

Расчетная мощность трансформатора Sтр (ВА)

Фазное напряжение вторичной обмотки

трансформатора U2 ( В )

0,5 ∙ Id

1,57∙ Id

1,57∙ Ud

1,23∙ Рd

1,11∙ Ud

0,33∙ Id

1,045∙ Id

1,045∙ Ud

1,045∙Рd

0,43∙ Ud

Здесь: P_d , U_d,I_d — выпрямленные мощность, напряжение и ток.

Запись выбранной марки диода представляется в стандартной форме:

Д112-16 –1 или Д151- 200 –3.

Последняя цифра в этих записях указывает класс диода по наибольшему

допустимому обратному напряжению (соответственно 100 и 300 В).

5. Рассчитываются мощность и фазное вторичное напряжение трансформатора выпрямителя. При этом расчетные значения и следует увеличивать на 5 % (умножать на коэффициент 1,05). Необходимый трансформатор выбирается по табл. 6.4.

Вторичные фазные обмотки заводских трансформаторов должны быть

перемотаны.

Новое число витков фазы: ( 6. 4 )

где : и данные заводского трансформатора ;

расчетное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора .

Подлежит изменению также и сечение провода фазной вторичной обмотки:

, ( 6.5 )

где сечение провода вторичной фазной обмотки заводского

транформатора .

По данным табл. 6.5 и 6.6 выбирается необходимый обмоточный провод ( круглый или прямоугольный ), записывается его марка, размеры без изоляции и с изоляцией. Примеры записи:

ПЭВ — 2 : ø 0,96 мм ( q = 0,724 мм²) — для круглого провода;

ПДА : мм (q = 7,75 мм² ) — для прямоугольного провода.

При большом сечении круглого провода намотку вторичной обмотки следует выполнить 2-мя проводами, проложенными параллельно, общее сечение которых должно соответствовать расчетному .

6. По формуле 6.2 рассчитывается требуемое сопротивление регулировочного реостата.

Величину следует при этом принимать равной:,.

Далее определяется расчетное сечение проволоки из хромоникелевого

сплава (нихрома) :

(6.6 )

где плотность тока.

По данным табл. 6.7 выбирается требуемая нихромовая проволока,

записывается ее стандартное сечение и диаметр.

Длина проволоки реостата находится по формуле:

( 6.7 )

где удельное сопротивление нихрома.

Таблица 6.3

Основные технические данные силовых неуправляемых кремниевых

диодов

Марка

диода

Предельный средний ток

I_в.ср.

Действующий прямой ток I_в.д.

( допустимый )

Наибольшее

обратное напряжение

U_обр._max ( В )

Примечание

Д112 –10

Д112 – 16

Д112 – 25

Д112 – 32

Д112 – 40

Д112 – 50

Д112 – 63

Д112 – 80

Д151 – 100

Д151 – 125

Д151 – 160

Д151 — 200

Д151 — 250

100

125

160

200

250

125

157

250

500

100…1400

300…1600

через 100 В

Таблица 6.4

Основные технические данные низковольтных силовых трансформаторов

Марка

Паспортные данные

Данные вторичной фазной обмотки

S_тр

кВА

U₁

U₂

соединение

обмоток

U₂

w₂

—

q₂

мм²

провод, его раз-

меры по меди, мм

Однофазные

ТБС – 0,1 100 220 37,8 1/1 — 0 37,8 208 0,785 ПЭВ – 2 ø 1,0

ТБС – 0,16 160 220 37,8 1/1 — 0 37,8 174 1,327 ПЭВ – 2 ø 1,3

ТБС – 0,25 250 220 37,8 1/1 — 0 37,8 132 2,061 ПЭВ – 2 ø 1,62

ТБС — 0,40 400 220 37,8 1/1 — 0 37,8 84 3,2 ПЭВ – 2 ø 2,02

ТБС – 0,63 630 220 37,8 1/1 — 0 37,8 54 5,433 ПБД ø 2,63

Трехфазные

ТСЗИ – 1,6 1600 380 37,8 Y/Y — 0 20,6 28 7,75 ПДА 1,81 х 4,4

ТСЗИ – 2,5 2500 380 37,8 Y/Y — 0 20,6 26 11,9 ПДА 2,44 х 5,1

ТСЗИ – 4,0 4000 380 37,8 Y/Y — 0 20,6 24 19,0 ПДА 2,44 х 8,0

ТСЗИ – 6,3 6300 380 37,8 Y/Y — 0 20,6 24 29,9 ПДА 3,8 х 8,0

Таблица 6.5

Данные обмоточных медных проводов круглого сечения

Номинальный диаметр по меди, мм²	Номинальное сечение по меди, мм	Масса 1 км провода, кг	Максимальный наруж- ный диаметр ( с изоля- цией ) провода, мм
Номинальный диаметр по меди, мм²	Номинальное сечение по меди, мм	Масса 1 км провода, кг	ПЭВ-2	ПБД
0,96	0,724	6,44	1,05
1,00	0,785	6,98	1,11
1,04	0,849	7,55	1,15
1,08	0,916	8,14	1,19
1,12	0,985	8,76	1,23
1,16	1,057	9,40	1,27
1,20	1,131	10,10	1,31
1,25	1,227	10,90	1,39
1,30	1,327	11,80	1,41
1,35	1,431	12,70	1,46
1,40	1,539	13,70	1,51
1,45	1,651	14,70	1,56
1,50	1,767	15,70	1,61
1,56	1,911	17,00	1,67
1,62	2,061	18,30	1,73	1,91
1,68	2,217	19,70	1,79	1,98
1,81	2,573	22,90	1,93	2,11
1,88	2,776	24,70	2,00	2,18
1,95	2,987	26,50	2,07	2,25
2,02	3,205	28,50	2,14	2,32
2,10	3,46	30,80	2,23	2,40
2,26	4,012	35,70	2,39	2,62
2,44	4,676	41,60	2,57	2,80
2,63	5,433			2,99

Примечание: ПЭВ-2 — провод с двойным эмалевым винифлексовым

покрытием;

Таблица 6.6

Размеры ( мм ) и сечения ( мм² ) прямоугольного алюминиевого

провода ПДА

a b	1,81	2,1	2,44	2,83	3,28	3,8	4,4	4,7
4,4	7,75 9,02 10,5 12,3 13,3 14,4 15,5 16,6	8,76 10,2 11,9 14,0 15,0 16,3 17,6 19,0	10,2 11,9 13,9 16,3 17,6 19,0 20,5 22,2	12,0 13,9 16,2 19,0 20,4 22,1 23,9 25,8	13,9 16,2 18,9 22,1 23,6 25,7 27,7 30,0	16,2 18,9 21,9 25,7 27,7 29,9 32,2 34,8	18,5 21,5 25,1 29,5 31,7 34,3 36,9 40,0	— — 26,8 31,5 33,9 36,7 39,5 42.8
5,1
5,9
6,9
7,4
8,0
8,6
9,3

Примечание: Провод с бумажной изоляцией; толщина изоляции на

две стороны — 0,45 мм. Намотка провода – плашмя.

Таблица 6.7

Основные данные проволоки из хромоникелевого сплава (нихрома )

Диаметр, мм

Сечение q_ст, мм²

Диаметр, мм

Сечение q_ст , мм²

0,8 0,502

0,9 0,636

1,0 0,785

1,1 0,95

1,2 1,13

1,3 1,33

1,4 1,54

1,5 1,77

1,6 2,01

1,8 2,54

1,9 2,833

2,0 3,14

2,5 4,91

3,0 7,07

3,5 9,616

4,0 12,6

4,5 15,9

5,0 19,6

5,5 23,75

6,0 28,26

6,5 33,17

7,0 38,46

7,5 44,16

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

Задача 1

1. К а с а т к и н А. С., Н е м ц о в М. В. Электротехника. М.: — Энергоатомиздат, 1983. с. 73 …77; 334 …342

2. Л о п у х и н а Е. М., С о м и х и н а Г. С. Расчет асихронных микродвигателей однофазного и трехфазного тока. ГЭИ, Москва – Ленинград, 1983, с. 254 …259, 262 …267, 270 …281

Задача 2.

1. К а с а т к и н А. С., Н е м ц о в М. В. Электротехника. М.: — Энергоатомиздат, 1983. с. 107 …114

2. И в а н о в И. И., Р а в д о н и к В.С. Электротехника. М.: — Высшая школа, 1984, с. 97 …106; 108 …110

Задача 3

1. К а с а т к и н А. С., Н е м ц о в М. В. Электротехника. М.: — Энергоатомиздат, 1983. с. 171 …180; 359 …364

2. И в а н о в И. И., Р а в д о н и к В.С. Электротехника. М.: — Высшая школа, 1984. с. 155 …160; 285 …289

3. Каталоги электрооборудования. М.: Информэлектро, 1986

Задача 4

1.Т о п о л я н с к и й А. В. Электроснабжение и электроустановки в

строительстве. Л.: — Стройиздат, 1990, с. 27 …49.

2. Каталоги электрооборудования. М.: Информэлектро, 1987

Задача 5

1. К а с а т к и н А. С., Н е м ц о в М. В. Электротехника. М.: — Энергоатомиздат, 1983. с. 401 …407

2. К л ю е в В. И. Теория электропривода. М.: — Энергоатомиздат, 1985, с. 525 …528, 532 …545

3. Справочник по электрическим машинам, т.1./ Под ред. Копылова И. П..

М.: — Энергоатомиздат, 1988, с. 226 …230, 245 …248

Задача 6

1. К а с а т к и н А. С., Н е м ц о в М. В. Электротехника. М.: — Энергоатомиздат, 1983. с. 211 …212, 218 …222

2. Каталоги электрооборудования. М.: — Информэлектро, 1988

С О Д Е Р Ж А Н И Е

стр.

Введение … 3

1. Расчетные задания … 4

2. Приложение П1. Расчет фазосдвигающего элемента для

однофазного конденсаторного

асинхронного электродвигателя … 17

3. Приложение П2. Расчет мощностей и токов трехфазной

сети с однофазными приемниками

электроэнергии … 21

4. Приложение П3. Расчет изменения вторичного напряжения

трансформатора при пуске и номинальной

нагрузке асинхронного короткозамкнутого

электродвигателя … 24

5. Приложение П4. Расчет мощности и выбор установки для

электропрогрева бетона … 26

6. Приложение П5. Выбор электродвигателей для промышленных

механизмов … 33

7. Приложение П6. Расчет выпрямителя для заряда

аккумуляторной батареи … 50

8. Список литературы … 59

8.3 Выпрямители на полупроводниковых диодах

Наиболее часто источники постоянного напряжения получают путем преобразования синусоидального (переменного) напряжения в постоянное напряжение.

Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются выпрямителями.

В большинстве случаев для выпрямления переменного напряжения применяются выпрямители на ПД, поскольку они хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном.

8.3.1 Однополупериодное выпрямление

Простейшая схема выпрямителя показана на рисунке 8.13,а.

В ней последовательно соединены источник переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор. Эта схема называетсяоднополупериодной. Часто ее называют однофазной однотактной, т.к. источник переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него в одном направлении один раз за период (один такт за период).

В качестве источника синусоидальной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 8.13,б).

Рис. 8.13. Схемы выпрямителей на ПД

Графики на рисунке 8.14 иллюстрируют процессы в выпрямителе ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой(рис. 8.14,а).

Рис. 8.14. Графики напряжений выпрямителя, поясняющие его работу

В течение положительного полупериода ЭДС е напряжение для диода является прямым, сопротивление его мало и проходит ток i, создающий на резисторе падение напряжения

В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет из-за большого сопротивления диода () и .

Таким образом, через диод Ц, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полупериода и разделенных промежутками также в полупериод. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторепульсирующее выпрямленное напряжение, полярность которого со стороны катода получается плюс, а со стороны анода — минус.

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение,, которое за весь период равно:

Вычитая из пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую, которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую. Полуволны переменной составляющей заштрихованы (рис. 8.14,б).

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе и в выходном напряжении, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют сглаживающие фильтры (СФ). Простейшим СФ является конденсатор большой емкости, через который ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкостьтакова, что выполняется условие:

При наличии конденсатора большой емкости приближается к и может быть равным (0,8.. .0,95) и даже выше. Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя являются:

— средние значения выпрямленного тока и напряжения ,;

— мощность нагрузки;

— амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

— коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

— действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, U₁ и I₂, U₂; типовая мощность трансформатора, где;

— коэффициент полезного действия

где Р_тр – потери в трансформаторе;

Р_Д– потери в диодах.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств малой мощности (электроннолучевых трубок и др.), допускающих повышенную пульсацию.

Расчёт полупроводникового выпрямителя

Расчёт полупроводникового выпрямителя.

Лабораторная работа

Теоретическое обоснование:

Однополупериодный выпрямитель. За счет односторонней проводимости диодов ток протекает только в положительные полупериоды напряжения U и следовательно имеет импульсную форму.

Наиболее широкое распространение получила схема мостового выпрямителя, схема состоит из 4 диодов Д₁ — Д₄. В положительные полупериоды напряжения U2 открыты диоды Д₁ и Д₃; в отрицательные полупериоды напряжения U₂ открыты диоды Д₂ — Д₄.

Трёхфазные выпрямители применяют в устройствах большой и средней мощности.

Вторичные обмотки трёхфазного выпрямителя соединены «Звездой». К фазам А, В, С трансформатора подключены диоды Д₁, Д₂, Д₃ катоды которых присоединяют к нулевой точке.

Между нейтральной точкой трансформатора О и О₁ включена нагрузка Рн. Ток через каждый диод может проходить только тогда, когда потенциал на аноде выше потенциала на катоде. это возможно в течении одной трети периода, тогда напряжение в данной фазе, выше напряжения в двух других фазах. Так например, когда открыт диод Д₁, через него нагрузку Р, течёт ток определяемый. В это время диоды Д₂ и Д₃ заперты.

Пример:

Для питания постоянным током потребителя мощностью Р=300 Вт при напряжении U=20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды типа Д 242 А.

Решение:

1. Выписываем из таблицы параметры диода: Iдоп=10 А; Uобр=100 В.

2. Определяем ток потребителя из формул Р=UI;

3. Определяем напряжение, действующее на диод в не проводящий период; U=3,14*20=63 В.

4. Проверяем диод по параметрам I_доп и U_обр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условием

. В данном случае второе условие не соблюдается, т.к. 10 А 63 В.
5. Составляем схему выпрямителя. Для того чтобы выполнить условие, надо два диода соединить параллельно, тогда I_доп=2*10=20 А; 20 > 15 А.

Расчет схемы полупроводникового выпрямителя без емкостного фильтра

Схема выпрямителя изображена на рис. 13. Среднее значение тока через нагрузку I₀, А

Рис. 13. Схема неуправляемого выпрямителя без фильтра

Сопротивление нагрузки R₀, Ом

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке связано с напряжением на вторичной обмотке трансформатора соотношением

Тогда действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, U₂ ,В (с учетом падений напряжения на диодах)

В, где U_пр — прямое значение напряжения на диоде.

Среднее значение тока, протекающего через открытый диод (ток через диод протекает в течение одного полупериода), А

Среднее значение мощности, выделяемой на диоде,

P_VD=U_прI_ср._VD= 0,9 • 1,47= 1,32 Вт.

Максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, U₂_max, В

В.

Максимальное обратное напряжение на диодах

Согласно расчетным данным выбираем диод из справочной литературы (табл. 2).

Таблица 2

Марка

диода

Прямое падение напряжения на диоде

U_пр, в

Среднее значение тока диода, I_ср._VD А

Среднее значение мощности, выделяемой на диоде Р_д, Вт

Максимальное обратное напряжение диода

U_обр._max

Диапазон

рабочих

температур

°С

КД202Г

0,9

3.S

3,15

-60…+130

Характер изменения напряжения на нагрузочном устройстве выпрямителя без фильтра можно отобразить графически (рис. 14). График строим в программе Mathcad.

Рис. 14. График изменения напряжения на нагрузочном устройстве

Кривую выпрямленного напряжения можно разложить в гармонический ряд Фурье:

Полезной частью этого пульсирующего напряжения является постоянная составляющая (не зависит от времени), или среднее значение,

Переменная составляющая состоит из бесконечного количества гармоник и является «вредной» составляющей выходного сигнала. Для ее уменьшения, то есть для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, используют сглаживающие фильтры. Гармоника низшего порядка имеет самую наибольшую амплитуду по сравнению с другими гармониками и является наиболее трудной для сглаживания.

Основной характеристикой выпрямителя является коэффициент пульсаций q, равный отношению амплитуды основной гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

Таким образом, коэффициент пульсаций выпрямителя без фильтра составит 0,67.

Расчёт схемы неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром

Для получения на нагрузке заданного значения коэффициента пульсаций q_ф = 0,2 параллельно нагрузке подключают сглаживающий фильтр С.

Емкость фильтра определяется по формуле

где S — коэффициент фильтрации,

т — частота основной гармоники, в нашем случае т=2.

Емкость фильтра С, мкФ,

Емкость реального конденсатора выбирают согласно стандартному ряду значений емкостей:

С_к = n10^к, к= 1,2,…,8.

и = 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.

Выбираем С = 680 мкФ.

Постоянная времени т_с переходного процесса в фильтре

Изменение напряжения на нагрузочном устройстве выпрямителя с фильтром показано на рис. 15.

Максимальное значение напряжения на вторичной обмотке U₂_max, В,

На графике t₁ — момент времени запирания диода, t₂ — момент времени отпирания диода.

где Т — период, с; w — значение частоты, подставляется в радианах

Момент времени запирания диода t₁, c,

Разряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону

где U, 1 с — значение напряжения на конденсаторе в момент времени t₁.

Напряжение на конденсаторе в момент запирания диода, В, с⁼U2 m«*sm(wti) = 56,14 sin (2-3,14-50-0,0062) = 52,22 В.

В результате на нагрузке получим периодически не синусоидально изменяющееся напряжение, которое также можно представить в виде рада Фурье, из ряда Фурье можно определить значение постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

a=42.589

Среднее значение напряжения после подключения емкостного фильтра составит 42,589 В.

Также из ряда Фурье можно определить коэффициент пульсаций выпрямителя с фильтром q_ф, его значение должно получиться равным заданному, в нашем случае q_ф = 0,2.

0.007 В

m:=0.00155

a:=0.0062

z:=0.01155

v:=0.0162

c:=0.02155

Рис. 15. График напряжения на нагрузочном устройстве с емкостным фильтром

Следует отметить, что чем выше значение емкости фильтра, тем меньше будет значение коэффициента пульсаций на нагрузке, и тем больше будет значение выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций равен отношению амплитуды первой (основной) гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения.

12 Выпрямители. Схемы выпрямления, их расчет

Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, приведенную на рис. 14.3,а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 14.3,б).

Основные параметры однополупериодного выпрямителя:

, где ;

Рис. 14.3. Однополупериодная схема выпрямителя

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 14.4,а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 14.4,б).

Рис. 14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Основные параметры такого выпрямителя:

где U₂ – действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки, U₂≈1,11·U_ср;

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется в технике. Недостаток – необходимость двойного количества витков во вторичной обмотке трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 14.5,а) можно считать пределом совершенства бестрансформаторных выпрямителей. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D₁ и D₂, а другая – D₃и D₄.

Рис. 14.5. Однофазный мостовой выпрямителя

Основные параметры такого выпрямителя:

где U_вх≈ 1,11·U_ср;

Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они построены на основе однополупериодных (незапираемых) тиристоров (рис. 14.9).

Включение тиристоров производится с некоторой задержкой t_вкл (рис. 14.10). Угол α_вкл=ω·t_вкл – угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления. Угол α_вкл называют углом управления, который может изменяться в пределах от 0 до 180°.

13.Стабилизаторы напряжения и тока: параметрические и компенсационные,их параметры и характеристики.

Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды.

По принципу работы стабилизаторы делятна параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бываютоднокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Стабилизатор с последовательным включением регулирующего элемента называют сериесным, а с параллельным включением — шунтовым. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

Основные параметры:

Коэффициент полезного действия стабилизатора — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от первичного источника питания:

Коэффициент нестабильности по напряжению — это отношение относительного изменения выходного напряженияк вызвавшему его изменению входного напряжения:

Коэффициент нестабильности по току— это отношение относительного изменения выходного напряженияк вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки:

Коэффициент сглаживания пульсаций — это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения: