Электроника 1.1 / Физические основы электроники

Выпрямители называются неуправляемыми, если величина напряжения на выходе выпрямителя Ed определяется только переменным

напряжением E2 на его входе:

где kсх – коэффициент пропорциональности, характерный для данной

схемы выпрямления, называемый коэффициентом схемы выпрямления.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее выпрямленное напряжение Uн. ср; номинальный средний вы-

прямленный ток Iн. ср; коэффициент пульсаций выпрямленого напря-

жения kп ; частота пульсаций выпрямленного напряжения; внутреннее

сопротивление выпрямителя.

Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для классификации выпрямителей используют различные признаки и особенности их конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, тип сглаживающего фильтра и т. п.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупери-

одные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз – однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.

По схеме включения вентилей различают выпрямители с парал-

лельным, последовательным и мостовым включением вентилей.

2.10.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис. 2.23, а). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС e2 , соответствующей

заданной величине выпрямленного напряжения Ed , и обеспечивает

гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети.

Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, т. е. к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова direct – прямой): Rd – сопротивление нагрузки; ud – мгновенное

значение выпрямленного напряжения; id – мгновенное значение вы-

прямленного тока.

Благодаря односторонней проводимости вентиля ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода

71

Рис. 2.23. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

активным и индуктивным сопротивлением обмоток трансформатора пренебрегаем;

нагрузка имеет чисто активный характер;

вентиль VD идеальный;

током намагничивания трансформатора пренебрегаем;

72

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая выпрямленного тока Id Ud .

Rd

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля Iа.ср Id .

Максимальное значение анодного тока

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле

Спектр выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, равен

Как видно, однополупериодная схема выпрямления имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Расчетная мощность трансформатора Т

где P1 и P2 – расчетная мощность первичной и вторичной обмотки.

73

где i1 – мгновенное значение первичного тока.

Из условия равенства намагничивающих сил первичной и вторич-

Поскольку i2 протекает во вторичной обмотке трансформатора только на интервале от 0 до π, а на интервале π 2π он равен 0, то

74

Графическое изображение этой функции представлено на рис. 2.23, е. Оно является зеркальным отображением функции (i2 Id ), рис. 2.23, д,

но масштабы их отличаются в kтр раз. Подставляя значения (2.17) в выражение (2.14), получаем действующее значение первичного тока:

Подставляя (2.19) и (2.13) в (2.11), получаем расчетную мощность трансформатора:

2.10.2. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС

(рис. 2.24, а) e2a и e2b .

Для создания этих ЭДС в схеме является обязательным наличие трансформатора T с двумя полуобмотками на вторичной стороне, имеющими среднюю точку.

На рис. 2.24, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой.

В случае чисто активной нагрузки и с учетом допущений (п. 2.10.1) для рассматриваемой схемы имеют место следующие основные соотношения:

75

Рис. 2.24. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

то очевидно, что он представляет собой синусоиду, и, следовательно,

I1 kф Id , где kф 1,11 – коэффициент формы для синусоиды.

kтр

Мощности трансформатора:

2.10.3. Однофазная мостовая схема

Схема представляет собой мост из вентилей VD1 VD4 (рис. 2.25, а), в одну диагональ которого включена нагрузка, а в другую – переменное напряжение e2 . В положительном полупериоде открыты вентили

VD1 VD3 , в отрицательном – VD2 VD4. Ток в нагрузке протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов, поэтому

76

эта схема так же, как и предыдущая, относится к двухполупериодным схемам выпрямления.

Силовой трансформатор здесь не является принципиально необходимым и нужен только для создания требуемой величины напряжения e2 на входе выпрямителя, соответствующего заданной величине

выпрямленного напряжения U d , а также для обеспечения гальваниче-

ской развязки между питающей сетью и нагрузкой выпрямителя.

На рис. 2.25, б, в, г, д представлены временные диаграммы для однофазной мостовой схемы выпрямителя.

Рис. 2.25. Однофазный мостовой выпрямитель

Для этой схемы выпрямителя при условии допущений п. 2.10.1 справедливы следующие соотношения:

77

Аналогичным образом строятся более сложные схемы многофазных выпрямителей.

2.10.4. Параметрический стабилизатор напряжения

Как уже отмечалось выше, применение стабилитронов связано с особенностью обратной ветви их вольт-амперной характеристики изменяться в большом диапазоне обратных токов при незначительном изменении напряжения на участке пробоя. Это свойство стабилитронов широко используется в устройствах, называемых стабилизаторами напряжения.

Таким простейшим устройством является параметрический стабилизатор постоянного напряжения (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Параметрический стабилизатор напряжения

При увеличении входного напряжения U вх от нуля пропорционально возрастает напряжение на нагрузке U вых . Когда входное напряжение

достигнет напряжения пробоя стабилитрона, он открывается и в его цепи появляется ток Iст . Дальнейшее увеличение входного напряжения при-

ведет лишь к увеличению тока стабилитрона, а напряжение на нем, а следовательно и напряжение на нагрузке U вых будут теперь оставаться

78

Очевидно, что при отклонении входного напряжения на Uвх , выходное напряжение изменится на значительно меньшую величину Uвых ,

79

т. е. имеет место стабилизация напряжения. Качество стабилизатора напряжения оценивается коэффициентом стабилизации kст :

Можно показать, что kст λ Rб , т. е. коэффициент стабилизации па-

Rн

раметрического стабилизатора в основном определяется соотношением сопротивления балластного резистора Rб и сопротивления нагрузки Rн .

Контрольные вопросы и задания

1.Что называется полупроводниковым диодом?

2.Какая область полупроводникового диода называется эмиттером?

3.Какая область полупроводникового диода называется базой?

4.Напишите уравнение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

5.Как влияет повышение температуры на прямую ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода?

6.Перечислите и объясните отличия в свойствах и параметрах кремниевых и германиевых выпрямительных диодов.

7.Какие процессы происходят в базе диода в импульсном режиме работы?

8.Что такое стабилитрон?

9.Что такое туннельный диод?

10.Что такое обращенный диод?

11.Почему в варикапах используется только барьерная емкость и не используется диффузионная емкость?

12.Что такое выпрямитель?

13.Поясните принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя.

14.Поясните принцип действия однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

15.Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя.

16.Что такое стабилизатор напряжения?

80