Павлович С.Н. 3 страница

Рис. 2.12. Однополупериодная схема выпрямления с емкостной нагрузкой (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Схемы умножения напряжения.Для получения высоких выпрямленных напряжений при малых токах нагрузки целесообразно применять выпрямители с умножением напряжения. Принцип действия таких выпрямителей сводится к тому, что на нагрузку разряжаются несколько последовательно включенных конденсаторов, каждый из которых заряжается через трансформатор и схему выпрямления до сравнительно небольшого напряжения. Таким образом, выпрямители с умножением напряжения представляют собой выпрямители с емкостной реакцией нагрузки.

Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения (рис. 2.13) содержит трансформатор, два диода VD₁ и VD₂, два конденсатора С₁и С₂, а нагрузка R_Нвключена параллельно конденсатору С₂.

Во время одного полупериода, когда потенциал точки а отрицательный, а точки b – положительный, открывается диод VD₁и конденсатор С₁заряжается до напряжения U₂_m . В другой полупериод диод VD₁закрыт, а к диоду VD₂ прикладывается отпирающее напряжение, равное сумме напряжений вторичной обмотки U₂ и конденсатора С₁ . При этом конденсатор С₂заряжается через открытый диод VD₂до максимального значения, примерно равного 2 U₂_m .

Когда диод VD₂ закрыт, конденсатор С₂ разряжается через R_Н , т.е. на нагрузке напряжение близко к 2 U₂_m .

Рис. 2.13. Несимметричная схема удвоения напряжения

Заряд и разряд конденсатора С₂происходит за один период. Поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке равна частоте питающей сети. Обратное напряжение на диодах VD1 и VD₂ примерно равно 2 U₂_m .

Для увеличения кратности выпрямленного напряжения увеличивают число диодов и конденсаторов, включая их аналогично описанной схеме (рис. 2.14, а), на которой пунктиром показаны варианты подключения нагрузки к схеме для получения различной кратности умножения напряжения: подключая нагрузку к точкам б, в и г схемы, получим умножение напряжения соответственно в 2, 3 и 4 раза.

Недостатки таких выпрямителей аналогичны недостаткам однополупериодного однофазного выпрямителя с емкостной нагрузкой. Они также обладают увеличенным внутренним сопротивлением из-за последовательного включения диодов.

Двухфазные симметричные схемы умножения можно получить соединением нескольких несимметричных схем. На рис. 2.14, б приведена такая схема с умножением напряжения в 6 раз. Конденсаторы с нечетными номерами (С₁, С₃, С₅, С₁^/, С₃^/, С₅^/) заряжаются через соответствующие диоды один раз в период напряжения вторичной обмотки трансформатора, а конденсаторы с четными номерами (С₂, С₄, С₆ ) – дважды. Поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза больше частоты сети.

Однофазная мостовая схема с удвоением напряжения (рис. 2.15, а) состоит как бы из двух однополупериодных выпрямителей, питающихся от одной и той же обмотки трансформатора и работающих на общую нагрузку R_Н, которая включена параллельно двум последовательно соединенным конденсаторам С₁и С₂.

Рис. 2.14. Несимметричная (а) и симметричная (б) схемы умножения напряжения

На рис. 2.15, б пунктиром показано напряжение на второй обмотке трансформатора u₂. Пусть к моменту t₀ (верхний график) конденсаторы С₁и С₂будут заряжены до U_С10 и U_С20. В интервале времени (t₀ - t₁) потенциал точки а (анод диода С₁) ниже потенциала точки к . Поэтому диод VD₁закрыт и конденсатор С₁разряжается на нагрузку. В интервале (t₁- t₂) потенциал анода VD₁становится выше потенциала его катода. Диод VD₁открывается и через него заряжается конденсатор С₁до U_С1_max= U₂_{m .} В интервале (t₁- t₃) диод VD₁и конденсатор С₁работают так же, как и в промежутке (t₀ - t₁).

В интервале времени (t₀ - t₃) потенциал точки а (катод VD₂) оказывается ниже потенциала точки п (анод диода VD₂). Диод VD₂ закрывается, а конденсатор С₂разряжается на нагрузку. В интервале (t₃ - t₄) диод VD₂открывается и через него конденсатор С₂заряжается до U₂_m. В интервале (t₄ - t₇) диод VD₂и конденсатор С₂работают так же, как в промежутке (t₀ - t₃).

Таким образом, в интервале времени (t₀ - t₁), (t₂ - t₃), (t₄ - t₅), (t₆ - t₇) оба конденсатора С₁и С₂разряжаются на нагрузку. А так как в этих промежутках оба диода закрыты, то данная схема в этом случае может быть представлена в виде двух последовательно соединенных конденсаторов с подключенной к ним нагрузкой (рис. 2.16) с U₀ = 2 U₂_m .

Обратные напряжения на диодах равны 2 U₂_m ; частота пульсаций в 2 раза больше частоты сети, выпрямленный ток является двухполупериодным.

Существенный недостаток этой схемы – большое внутреннее сопротивление, так как два выпрямителя соединены между собой последовательно.

Рис. 2.15. Мостовая схема удвоения напряжения (а), диаграммы напряжения и тока в схеме (б)

Рис. 2.16. К определению напряжения на нагрузке в схеме удвоения напряжения

Лекция 7. Тема 2.4.Выпрямители с индуктивной и смешанной нагрузкой (2 часа)

Работа выпрямителя на нагрузку с индуктивной реакцией. В схеме рисунка 2.17, а последовательно с нагрузкой включено индуктивное сопротивление, роль которого играет дроссель (как первый элемент сглаживающего фильтра).

Рис. 2.17. Однополупериодная схема выпрямления с индуктивной нагрузкой (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Во время положительного полупериода напряжения U₂ диод VD открывается и по цепи через диод, дроссель L, сопротивление нагрузки R_н и вторичную обмотку трансформатора протекает ток i₀. По мере увеличения напряжения U₂ возрастает и ток i₀, на индуктивности L возрастает и противо-ЭДС e_L, направленная против U₂ и препятствующая нарастанию тока i₀.

С момента t₁напряжение U₂ и ток i₀ начинают уменьшаться, а противо-ЭДС e_L приобретает положительную полярность, препятствуя уменьшению U₂ и i₀. В интервале t₂ – t₃ ток i₀ поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитопроводе дросселя. В момент t₃ ток i₀=0 и противо-ЭДС e_L также становиться равной нулю.

Длительность работы диода t_и (рисунок 2.17, б) больше полупериода напряжения U₂, зависит от отношения L/R и возрастает с увеличением этого отношения.

Работа выпрямителя на смешанную нагрузку. Под смешанной нагрузкой понимается нагрузка, содержащая индуктивность, емкость и активное сопротивление.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся режима работы выпрямителя на Г-образный (рисунок 2.18, а) и П-образный (рисунок 2.18, б) фильтры с нагрузкой R_н. Для получения малых пульсаций выпрямленного напряжения U₀ на нагрузке в этих схемах применяются дроссели с большой индуктивностью L и конденсаторы C₀ и C₁ с большой емкостью, так что их сопротивления X_L>>R_н>>X_C.

Рис. 2.18. Схемы смешанной нагрузки выпрямителя: а – входной элемент - индуктивность; б – входной элемент – емкость

При Г-образном индуктивно-емкостном фильтре практически вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на дросселе L и наличие конденсатора С почти не сказывается на работе выпрямителя. Можно считать, что выпрямитель работает так же, как при индуктивной нагрузке.

При П-образном фильтре емкостное сопротивление является малым, на котором выделяется переменная составляющая выпрямленного тока (напряжения), а индуктивность не оказывает почти никакого влияния на работу выпрямителя. Значит, можно считать, что выпрямитель работает так же, как при емкостной нагрузке.

Таким образом, характер нагрузки (индуктивной или емкостной) определяется входным элементом фильтра.

Работа выпрямителя на встречную ЭДС. На рисунке 2.19, а приведена схема однофазного однополупериодного выпрямителя, нагруженного аккумуляторной батареей с ЭДС Е₀ и переменным резистором R, предназначенным для регулирования зарядного тока.

В интервале времени t₀ – t₁ диод VD закрыт, так как потенциал его анода ниже потенциала катода (U₂< Е₀), а в интервале t₁ – t₂ диод открыт (U₂> Е₀). В интервале t₂ – t₃ снова ЭДС аккумулятора становиться больше U₂, диод запирается.

Как видно из рисунка 2.19, б, длительность протекания тока через диод t_и меньше полупериода напряжения U₂, при этом при увеличении значения Е₀ пульсации выпрямленного напряжения U₀ уменьшаются.

Влияние встречной ЭДС на работу выпрямителя аналогично воздействию заряженного конденсатора

Рис. 2.19. Однополупериодная схема выпрямления, работающая на встречную ЭДС (а), диаграммы напряжений и токов (б)

Лекция 8. Тема 2.5. Управляемые выпрямители на тиристорах(2 часа)

Управляемые выпрямители. Структурная схема выпрямителя (рис. В.1) включает трансформатор, вентили и фильтр. Для регулирования выходного напряжения в первичную обмотку трансформатора можно включить автотрансформатор (скользящий контакт, малая надежность), магнитный усилитель (увеличивает массу и габариты) или управляемые тиристоры (рис. 2.20). Схема упрощается (рис. 2.21), если в выпрямителе вместо диодов использовать тиристоры VS1 и VS2, выполняющие одновременно функции выпрямления и регулирования. При наличии дросселя с большой индуктивностью L ток, протекающий через него, имеет постоянное значение, равное I₀. Тиристоры VS1 в интервале от 0 до α и VS2 в интервале от до ( +α) закрыты, так как на их управляющие электроды не подаются импульсы управления. В эти интервалы будет открыт обратный диод VD1 и через него, нагрузку и дроссель будет протекать ток I₀ под действием ЭДС самоиндукции дросселя. В моменты α и ( + α) диод VD1 запирается, так как к нему прикладывается обратное напряжение от ЭДС е₂₁, е₂₂ через открытые тиристоры VS1 ,VS2.

Рис. 2.20. Регулирование выпрямленного напряжения тиристорами, включенными в цепь первичной обмотки трансформатора: а – схема; б, в - напряжения

Рис. 2.21. Схема двухполупериодного управляемого выпрямителя

При отсутствии диода VD1 в схеме, когда ЭДС е₂₂, е₂₁ равны нулю и затем принимают отрицательные значения (штриховые линии на рис. 2.22, б), в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, под действием которой тиристоры будут открыты в интервалах от 0 до α - тиристор VS1 и от до ( +α) – тиристор VS2. При этом ЭДС е₀ при α= /2 будет иметь большие пульсации. Поэтому схема управляемого выпрямителя без диода VD1 не применяется.

В схеме с диодом VD1 ЭДС , угол α регулируется от 0 до , обратное напряжение U_обр = 2 2 Е₂.

Рис. 2.22. Напряжения и токи в двухполупериодном управляемом выпрямителе, работающем на индуктивную нагрузку

Сравнительная оценка схем выпрямления.Сравнение схем выпрямления произведем по главным показателям: габаритной мощности, числу диодов, обратному напряжению на диоде и коэффициенту пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная однополупериодная схема (наиболее проста) содержит только один диод, но имеет наибольшие значения: 1) габаритной мощности трансформатора, 2) коэффициента пульсации и 3) обратного напряжения на диоде (она применяется в выпрямителях небольшой мощности со сглаживающим фильтром и когда допустимы большие пульсации выпрямленного напряжения).

Двухфазная двухполупериодная схема с выводом средней точки трансформатора содержит два диода, лучше однофазной однополупериодной (по габаритной мощности трансформатора, по среднему выпрямленному току через диод и коэффициенту пульсаций), но по сравнению с мостовой однофазной схемой выпрямления имеет большие значения обратного напряжения на диодах и габаритной мощности трансформатора, при этом трансформатор конструктивно сложнее из-за вывода от средней точки обмотки; применяется в маломощных выпрямителях.

Однофазная мостовая схема по сравнению с обеими названными схемами имеет: меньшие значения габаритной мощности трансформатора, обратного напряжения на диодах и напряжения вторичной обмотки, но использует четыре диода (это недостаток); применяется в маломощных выпрямителях при выходных напряжениях до 600 В.

Трехфазная нулевая схема по сравнению с другими многофазными схемами имеет меньшее количество диодов, но большие значения коэффициента пульсаций, обратного напряжения на диодах и габаритной мощности трансформатора; используется для получения мощности в нагрузке до несколько киловатт и напряжения до 1000 В.

Трехфазная мостовая схема по сравнению с нулевой имеет большее количество диодов, но меньшие значения коэффициента пульсаций, обратного напряжения на диоде и габаритной мощности трансформатора; применяется в выпрямителях средней и большой мощности как при низких, так и высоких выходных напряжениях. Вторичные обмотки трансформатора желательно соединять звездой, так как при соединении их треугольником возможно появление уравнительных токов, что снижает КПД выпрямителя.

При трехфазной питающей сети однофазные схемы выпрямления приводят к ее неравномерной нагрузке по фазам. Поэтому целесообразно применять однофазные схемы выпрямления на мощности до 1 кВт

Раздел 3. Сглаживающие фильтры(4 часа)

Лекция 9. Тема 3.1. Реактивные фильтры(2 часа)

Рассмотренные выпрямители переменного тока позволяют получить выпрямленное, но с пульсациями постоянное напряжение. А для питания электронных приборов пульсирующее напряжение не пригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Допустимые значения коэффициентов пульсаций для различных потребителей приведены в Приложении 1.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П=U_m01/U₀,

где U_m01 – амплитуда первой гармоники (ее определяют разложением несинусоидальной кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье); U₀– среднее значение выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций К_П<0,1% считают малым, К_П=0,1…1% –средним и К_П>1% – большим. Коэффициент пульсаций на выходе известных схем выпрямления находится в пределах от 157% (однополупериодная однофазная схема) до 57% (трехфазная мостовая). А чтобы уменьшить К_П до допустимых значений и применяют сглаживающие фильтры, способность которых снижать пульсации характеризуют коэффициентом сглаживания q: q=К_П.вх/К_П.вых,

где К_П.вх, К_П.вых – коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра.

Сглаживающие фильтры различают по элементам, из которых они состоят, схеме соединения одного звена и количеству звеньев.

Простые однофазные фильтры состоят из конденсатора или катушки индуктивности, сложные – из сочетания индуктивностей, конденсаторов, резисторов.

Емкостной фильтр – это конденсатор С, включенный параллельно нагрузке, а индуктивный фильтр – это дроссель, включенный последовательно с нагрузкой.

В емкостном фильтре конденсатор заряжается, когда напряжение ИП больше напряжения на его зажимах, и разряжается, когда – меньше, отдавая нагрузке запасенную энергию.

В индуктивном фильтре переменная составляющая выпрямленного тока создает в магнитопроводе дросселя магнитный поток, наводящий в его обмотке противо-ЭДС, которая препятствует изменению тока в цепи и уменьшает амплитуду переменной составляющей выпрямленного тока, а это приводит к уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке.

Сущность работы сглаживающего LC-фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I₀ и переменную i_~ составляющие (рис. 3.1). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Физическая сущность работы конденсатора и дросселя в фильтре состоит в том, что конденсатор заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая этим самым его пульсации. Дроссель при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некие резервуары энергии: они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций выпрямленного напряжения и тока.

Рис 3.1. Схема сглаживающего LC-фильтра

Рассмотрим более подробно работу простого емкостного фильтра, включенного на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R (рис. 3.2).

Рис 3.2. К пояснению работы простого емкостного фильтра

При возрастании выпрямленного напряжения на открытом диоде VD₁ конденсатор С зарядится (рис. 3.3, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 3.3, б).

Когда диод закрылся, конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. Скорость его разряда определяется постоянной времени разряда , которая значительно больше (при большой емкости конденсатора) периода переменного тока. Поэтому после первой четверти периода ток в нагрузке поддерживается напряжением разряжающегося конденсатора, которое уменьшается при разряде. При следующем полупериоде синусоиды открывается диод VD₂ и конденсатор снова зарядится. Далее такой цикл разряда и заряда конденсатора повторяется. В результате пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются.

Рис. 3.3. Диаграммы тока и напряжения, поясняющие работу простого емкостного фильтра

Наличие конденсатора позволяет диодам проводить ток в цепи в течение коротких отрезков времени. Когда диоды не проводят ток, конденсатор обеспечивает нагрузку током. Когда нагрузка R потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой емкости.

Качество работы фильтра определяется величиной пульсаций, остающихся в постоянном напряжении. Величину пульсаций можно уменьшить при использовании конденсатора большей емкости или при увеличении сопротивления нагрузки (т.е. путем увеличения ). Обычно сопротивление нагрузки задается при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора определяется заданной величиной допустимых пульсаций.

Заметим, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды выпрямителя. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки трансформатора и удерживает это значение в течение всего цикла синусоидального напряжения. Когда диод запирается, на его анод попадает отрицательное напряжение. В результате оказывается, что разность потенциалов на диоде в два раза превышает амплитуду напряжения вторичной обмотки трансформатора. Поэтому для выпрямителя должны выбираться диоды, которые выдерживали бы такое обратное напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдерживать диод, будучи смещенным в обратном направлении, называется импульсным обратным напряжением диода. В идеале диод должен работать при 80 % номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдерживать изменения входного напряжения. Это относится как к однополупериодным, так и к двухполупериодным выпрямителям. В мостовом выпрямителе к диодам никогда не прикладывается напряжение, большее, чем амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Поэтому использование диодов на более низкое импульсное обратное напряжение является ещё одним преимуществом мостового выпрямителя.

Отметим, что пиковое значение тока, протекающего через диод, может во много раз превышать ток нагрузки, что является опасным для целостности диода. В реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока закруглен.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях являются П-образные LC-фильтры (рис. 3.4, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока свободно проходит через дроссель Д_Р в нагрузку R_Н и замыкается через трансформатор. Переменная составляющая замыкается через большие емкости С₁ и С₂ и в нагрузку не проходит.

При небольших токах нагрузки применяется Г-образный фильтр (рис. 3.4, б), а при малых токах нагрузки для сглаживания пульсаций достаточно включить только конденсатор С (рис. 3.4, в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Иногда дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато удешевляет фильтр (рис. 3.4, г,д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр выполняют многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 3.4, е).

Рис. 3.4. Схемы сглаживающих фильтров

Фильтры с резонансными контурами.Разновидностью Г-образных LC-фильтров являются резонансные фильтры. Они обеспечивают высокий коэффициент сглаживания для одной из частот напряжения пульсаций. Фильтры, основанные на использовании резонанса токов, называются фильтрами-пробками, так как они (при последовательном включении параллельного резонансного LC -контура с нагрузкой, рис. 3.5,а) сильно ослабляют токи резонансной частоты. У них резонансное сопротивление LC -контура может быть значительно больше индуктивного сопротивления дросселя на той же частоте. Поэтому они обеспечивают лучшую фильтрацию, чем обычные LC -фильтры.

Фильтры, основанные на резонансе напряжений, называются режекторными. У режекторного фильтра (рис. 3.5,б) цепочка L₁C₁при резонансе имеет минимальное сопротивление, которое может быть меньше емкостного сопротивления конденсатора С, что улучшает сглаживание пульсаций напряжения.

В фильтре-пробке ток с частотой пульсаций замыкается через конденсатор С. Для токов с частотой пульсаций больше резонансной контур будет иметь сопротивление емкостного характера и фильтр превращается в емкостный делитель напряжения. Для токов с частотой ниже резонансной сопротивление контура носит индуктивный характер и резонансный фильтр превращается в обычный Г-образный LC-фильтр.

Рис. 3.5. Резонансные фильтры: а – фильтр с включением параллельного контура (фильтра пробки) вместо дросселя; б – фильтр с включением последовательного контура (режекторного фильтра) вместо конденсатора; в – фильтр с применением фильтра пробки и режекторного фильтра

В схеме резонансного фильтра рис. 3.5,в использованы фильтр-пробка и режекторный фильтр, что дает повышенную фильтрацию. При необходимости ослабления нескольких частот параллельно нагрузке подключают режекторные фильтры, настроенные на эти частоты.

Резонансные фильтры настраивают в резонанс на подавление наиболее интенсивной гармоники. Индуктивность катушки фильтра зависит от величины протекаемого по ней тока. Поэтому при изменении тока нагрузки контур фильтра расстраивается и сглаживание пульсаций ухудшается. Этот недостаток резонансных фильтров ограничивает их применение.

Лекция 10. Тема 3.2. Активные фильтры(2 часа)

Транзисторные фильтры. Фильтры на реактивных элементах имеют объем и массу, соизмеримые с таковыми трансформатора. Транзисторные фильтры не имеют дросселя, значительно меньше по объему и массе и могут обеспечить малое выходное сопротивление. Принцип действия транзисторных фильтров основан на использовании выходной характеристики транзистора (рис. 3.6). При выборе рабочей точки А транзистора после перегиба выходной характеристики сопротивление между коллектором и эмиттером постоянному току R_СТ = U_К/I_Кбудет меньше, чем сопротивление переменному току R_ДИН = ΔU_К/ ΔI_К. Поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя в схеме фильтра.

Рис. 3.6. Коллекторная характеристика транзистора

Транзисторные фильтры различают с последовательным и параллельным подключением нагрузки к транзистору. Чаще используется последовательное включение нагрузки, при этом она может быть включена в цепь коллектора или эмиттера.

На рис. 3.7 приведен транзисторный фильтр с нагрузкой R_Н , включенной в цепь коллектора. При больших изменениях входного напряжения ток коллектора изменяется незначительно (рис. 3.6) и пульсации на нагрузке будут меньше, чем на входе фильтра. Смещение на базе транзистора создается от постоянной составляющей выпрямленного напряжения (резистор R₂ на рис. 3.7). Резистор R₁ обеспечивает термостабилизацию схемы.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒