bankin_iit_1

отдельных цепей выпрямителя. Вентили обеспечивают одностороннее протекание тока в цепи нагрузки. В результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают сглаживающий

фильтр.

Рисунок 15

Характер сопротивления нагрузки (активной, емкостной или индуктивный) существенно сказывается на режиме работы всех устройств выпрямителя и должен учитываться при его расчете и конструировании.

Всостав выпрямителя очень часто входит стабилизатор напряжения или тока, который можно включить на выходе (по постоянному току) или на входе (по переменному току).

Однофазные выпрямители подразделяют на однополупериодные и двух-

полупериодные.

Воднополупериодных выпрямителях по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период, в двухполупериодных выпрямителях, напряжение сети используется оба полупериода, ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях.

К основным параметрам выпрямителей относят выходные парамет-

стоянного тока выделяемой на нагрузке, к входной мощности переменного тока, определяется для резистивной нагрузки и коэффициент пульсаций . Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды переменной составляющей основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения:

Выпрямители могут иметь многочисленные варианты схем. Рассмотрим схемы выпрямителей, широко применяемые в промышленной электронике.

3.2 Схема выпрямителя с выводом нулевой точки\\

В двухполупериодном выпрямителе в течение одной половины периода переменного напряжения ток протекает через вентиль VD1, а в течении дру-

21

гой половины периода – через вентиль VD 2 (рисунок 16). Трансформатор выполнен с двумя вторичными обмотками, имеющими общий (нулевой) вывод. Временные диаграммы напряжений и токов первичной и вторичных обмоток трансформатора, а также сопротивления нагрузки представлены на рисунок

17.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при идеальных вентилях и трансформаторе с учетом того. Что мгновенное значение ЭД С вторичной обмотки:

,

где – действующее значение фазной Э.Д.С., определяется из выражения:

.

Среднее значение выпрямленного тока:

.

Среднее значение выпрямленного тока через каждый вентиль в два раза меньше тока нагрузки:

К запертому вентилю прикладывается обратное напряжение, равное по величине напряжению на вторичной обмотке трансформатора, так как анод

22

неработающего вентиля присоединен к одной фазе, а катод через проводящий вентиль, падение напряжения на котором в предположении идеальности вентиля равно нулю, – к другой фазе вторичной обмотки трансформатора. Максимальное значение обратного напряжения равно двойной амплитуде фазного напряжения:

обр.макс 2√2

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Поскольку во вторичной обмотке токи протекают поочередно и имеют противоположные направления, по первичной обмотке проходит чисто синусоидальный ток.

Действующее значение тока в первичной обмотке может быть выражено через средне значение этого тока с учетом коэффициента трансформации:

⁄⁄ 2√2 1,11 ⁄

Следует отметить, что дополнительное подмагничевание сердечника отсутствует, т.к. постоянные составляющие токов вторичных обмоток направлены встречно.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

тр 1,48

Из временных диаграмм Рисунок12 видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте

напряжения сети 100Гц.

Для определения коэффициента пульсаций нужно найти амплитуду основной гармоники, разложив в ряд Фурье несинусоидальное выпрямленное напряжение. Для рассматриваемой схемы:

2 ⁄3

Следовательно, коэффициент пульсаций:

П ⁄ 0,67

3.3 Мостовая схема выпрямителя

Другим вариантом двухполупериодного выпрямителя является мостовая схема (рисунок 18).

23

Во вторичной обмотке ток протекает дважды за период и при активной нагрузке имеет синусоидальную форму. Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

тр 1,23

Преимущества мостовой схемы перед схемой с выводом нулевой точки: максимальное обратное напряжение, прикладываемое к неработающим вентилям, в два раза меньше; меньшая расчетная мощность обеспечивает лучшее использование трансформатора; при расчетном напряжении значении ЭДС совпадающим с напряжением сети, мостовую схему можно питать непосредственно от сети без трансформатора, конструкция проще, а габариты, масса и стоимость трансформатора меньше.

Недостатком мостовой схемы следует считать наличие 4–х вентилей.

3.4 Сглаживающие фильтры

Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы электронного устройства: их выбирают в пределах от 0,001 – 2,5%.

К сглаживающим фильтрам предъявляются следующие основные требования: необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения при этом не допустить существенного уменьшения постоянной составляющей; при включении и выключении напряжения сети в фильтре проходят переходные процессы сопряженные с бросками напряжения и тока

– последние должны находится в допустимых пределах; собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра.

Обычно сглаживающие фильтры состоят из индуктивных катушек и конденсаторов и лишь в маломощных выпрямителях используются также резисторы.

Основным параметром, позволяющим дать количественную оценку сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания:

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки, включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

25

При использовании катушек, повышение коэффициента сглаживания можно достигнуть при условии, что индуктивное сопротивление цепи значительно превышает ее активное сопротивление:

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения ( )

При этом основная часть падения напряжения переменных составляющих приходится не на сопротивление нагрузки, а на индуктивность фильтра.

Так как активное сопротивление индуктивного элемента фильтра (дросселя) обычно невелико, падение напряжения постоянной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равным.

Индуктивный фильтр имеет простую схему и обеспечивает малые потери мощности и малое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку индуктивные фильтры обеспечивают лучшее сглаживание пульсаций при небольших сопротивлениях нагрузки, их применяют главным образом в мощных выпрямителях .

При включении конденсатора параллельно нагрузке , для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления:

Вэтом случае конденсатор заряжается через вентиль до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе.

Востальное время конденсатор разряжается на нагрузку. Величину емкости выбирают таким образом, чтобы за период колебаний напряжение на входе фильтра и напряжение на конденсаторе не изменилось.

Широкое применение на практике находят Г – образные индуктивно– емкостные фильтры (рисунок 20).

Амплитудное значение тока основной гармоники:

получаем коэффициент сглаживания:

данному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение L и C (точнее их произведение). Выбор конкретных величин индуктивности и емкости представляет в данном случае не математическую, а техническую задачу. Обычно ее решают с учетом дополнительных условий, к которым относятся габаритные размеры, масса и емкость фильтра, а также допустимый бросок тока при включении.

Более эффективным является П – образные фильтры, представляющие собой сочетание простейшего емкостного фильтра и Г – образного звена (рисунок 21, а).

Лучшие результаты получаются с помощью многозвенных фильтров (рисунок 21, б), состоящих из нескольких последовательно соединенных Г – образных звеньев. Входным элементом таких фильтров является индуктивная катушка. Если первое звено выполнить П – образным, то входным элементом будет емкость.

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания пульсаций многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживающих звеньев:

где n – число звеньев.

27

Среди перечисленных требований, предъявляемых к сглаживающим фильтрам, отмечалось необходимость ограничения собственной резонансной

В отдельных случаях применяют резистивно–емкостные фильтры, которые имеют меньшие габариты, массу и стоимость. Дроссель в этих фильтрах заменен резистором. В отличии от индуктивно–емкостных фильтров здесь происходит существенное уменьшение не только переменных, но и постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Простейший Г – образный фильтр имеет коэффициент сглаживания пульсаций:

Поскольку для получения хорошей фильтрации гармоник здесь та кже должно соблюдаться условие:

то можно записать

тогда

В связи с тем, что в таких фильтрах происходит уменьшение выпрямленного напряжения – область применения фильтров ограничивается маломощными потребителями.

3.5 Параметрические стабилизаторы напряжения

28

На выходе выпрямителя напряжение может изменять свою величину в зависимости от колебания напряжения сети изменения величины нагрузки. В тех случаях, когда для питания устройств промышленной электроники требуются источники питания стабильных напряжений, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизаторы постоянного напряжения.

Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение на нагрузке с требуемой степенью точности при изменении дистабилизирующих факторов, называют стабилизаторами напряжения. Стабилизаторы напряжения подразделяют на две группы – параметрические и компенсационные.

Параметрическими стабилизаторами напряжения называют устройства с нелинейными элементами (стабилитронами, дросселями и др.), параметры которых с изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке остается почти неизменным по величине (рисунок 22, а).

Основным параметром стабилизаторов напряжения является коэффициент стабилизации напряжения и выходное сопротивление.

В общем случае под коэффициентом стабилизации напряжения понимают отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе стабилизатора.

Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение приращения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его приращению тока нагрузки при постоянном входном напряжении, а также при неизменных

ние (напряжение на нагрузке Uн) уменьшается и наоборот.

По точности поддержания стабилизируемой величины различают стабилизаторы: низкой точности – нестабильность выходной величины более

2,5%; средней точности – нестабильность от 0.5 до 2,5%; высокой точности

– нестабильность от 0,1 до 0,5%; прецизионные – нестабильность менее 0,1%.

29

кающий через стабилитрон. Этот ток, протекающий также через балластный

сохраняет опять практически неизменный уровень.

В приведенной схеме последовательно с стабилитроном включен терморезистор. Поскольку полупроводниковый стабилитрон обладает положительным температурным коэффициентом, а терморезистор – отрицательным, при таком включении достигается температурная компенсация изменений выходного напряжения.

Коэффициент стабилизации подобных схем обычно составляет ±2%. Однако коэффициент стабилизации мостовых схем (рисунок 22, б) зна-

чительно выше обычных.

Простейшие схемы стабилизаторов на стабилитронах имеют существенные недостатки: сравнительно низкий коэффициент стабилизации; возможность стабилизации при малых токах нагрузки; низкий к.п.д.; отсутствие регулировки выходного напряжения, большое выходное сопротивление.

4 ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 Биполярные транзисторы

Классификация и условное обозначение биполярных транзисторов изображена на рисунке 23 в виде схемы.

30