Экзамен эпу. экзамен эпу. 1 Гальванические элементы. Классификация. Назначение. Основные характеристики. Принцип работы

• Название: 1 Гальванические элементы. Классификация. Назначение. Основные характеристики. Принцип работы
• Анкор: Экзамен эпу
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 3.47 Mb.
• Имя файла: экзамен эпу.docx
• Тип: Документы; #729564
• страница: 6 из 9

Мостовые схемы регулируемых тиристорных выпрямителей по электрическим характеристикам почти совпадают с двухполупериодными, за исключением величины и формы тока во вторичной обмотке трансформатора. Следовательно, выпрямленное напряже­ние и амплитуда пульсации в мостовых схемах определяются теми же соотношениями, что и в двухполупериодных схемах.

Нагрузкой мостовой схемы с четырьмя тиристорами (рисунок 5.4, а) является резистор R_Hи фильтр, состоящий из дросселя Lи конден­сатора С. Управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2 соединены вместе и подключены к одному выходу системы управления вырямителями СУ, а управляющие электроды тиристоров VS3 и VS4 - ко второму выходу СУ. Импульсы управления I_у1 с первого выхода СУ поступают в противофазе к импульсам I_у2со второго выхода.
Общей особенностью всех тиристорных выпрямителей является: потребление не только активной, но и реактивной мощности от сети переменного тока; при изменении угла регулирования от 0 до π выходное напряжение уменьшается от максимального до мини­мального (до нуля); пульсации выпрямленного напряжения увели­чиваются с ростом угла регулирования; изменение выходного на­пряжения в них достигается изменением отбора мощности от сети переменного тока и не связано с гашением ее в выпрямителе, что является основным их достоинством.

23. Регулирование напряжения с помощью дросселей насыщения.

Дроссель насыщения используют в выпрямительных устройствах в качестве регулирующего элемента. Он состоит из П-образного замкнутого стального сердечника, на котором размещаются две обмотки (рисунок 5.6, а). Одна из обмоток - рабочая w_P - включается в цепь переменного тока, а вторая - обмотка управления w_У - в цепь постоянного тока.

Если через обмотку управления пропустить постоянный ток, то в сердечнике создается дополнительное постоянное магнитное поле, которое увеличивает степень насыщения сердечника. При этом изменятся магнитная проницаемость сердечника и сопротивление рабочей части обмотки В качестве рабочего используется участок аб(насыщение сердечника), где μ. уменьшается. Следовательно, изменяя намагничивание сердечника с помощью обмотки управления, можно регулировать сопротивление рабочей обмотки, и на ней будет изменяться падение напряжения. Обмотка управления служит своеобразным реостатом, регулирующим напряжение, подаваемое на первичную обмотку силового трансформатора.

Поскольку сопротивление дросселя в основном является реак­тивным, то потери активной мощности в нем будут незначитель­ными и КПД дросселя как регулятора гораздо выше, чем обычного реостата. Положительным свойством дросселя насыщения является также возможность при помощи небольшого тока подмагничивания управлять большим током, протекающим через главную об­мотку переменного тока. Это достигается таким выбором магни­тодвижущей силы главной обмотки переменного тока чтобы на­чальное значение индукции (при действии только одного перемен­ного поля и нулевом токе подмагничивания) было выше точки насыщения сердечника дросселя (сердечник изготовляется из транс­форматорной стали).

Это означает, что даже слабый ток подмагничивания заставит резко уменьшаться μ и х_р. Следовательно, имеется возможность регулирования без затрат большой мощности в цепи подмагничи­вания.

Существует много конструктивных решений при изготовлении дросселя насыщения. Однако во всех случаях принимаются меры для того, чтобы переменная э. д. с. не возникала в обмотке управле­ния. Для этого дроссель насыщения выполняют из двух изолиро­ванных друг от друга сердечников (рисунок 5.6, г). Рабочие обмотки w_р, размещенные на разных сердечниках, создают в среднем сердечнике (составленном из двух) магнитные потоки разных направлений Ф₁и Ф₂. Эти потоки создают равные по значению и противоположные по направлению э.д.с., которые компенсируют друг друга. В устройствах, где необходима регулировка большой мощности и не требуется быстродействие, рабочие обмотки дросселей включают параллельно. В цепях, где необходимо быстродействие, обмотки включают последовательно.

Обмотки управления (постоянного тока) объединены в одну обмотку, размещаемую на среднем сердечнике.
Рис.5.6. Схемы дросселя насыщения (а) и кривые намагничивания и магнитной проницаемости (б, в)
24. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.

Электромагнит­ные стабилизаторы напряжения, в которых используют резонанс­ные контуры, называют феррорезонансными. Их применяют в ка­честве маломощных стабилизаторов переменного напряжения и как опорные (эталонные) источники напряжения. Чаще всего их выпол­няют на одном сердечнике из трансформаторной стали Ш-образной формы с тремя стержнями (рисунок 5.8, а). Левый стержень имеет воздушный зазор δ, выполняющий роль магнитного шунта, снижающего внешний поток рассеивания и уменьшающего влияние феррорезонансного стабилизатора напря­жения на работу соседних устройств. На среднем и правом стержнях размещаются обмотки: первичная w₁и компенсационная w_к - на среднем, вторичная w₂ и дополнительная w_д - на правом. Компенса­ционная обмотка имеет число витков в 3-6 раз меньшее, чем вторичная обмотка, поэтому напряжение на ней относительно невелико. Она включена последовательно с вторичной обмоткой и навстречу ей.При включении входного напряжения в первичной обмотке будет протекать ток, который создаст магнитный поток Ф в среднем стержне. Этот поток разветвляется на два: Ф₂ - поток, протекающий в правом стержне, и Ф₁ - поток, протекающий в левом стержне. При малых напряжениях поток Ф₁ мал, так как на его пути имеется воздушный зазор δ, представляющий собой большое сопротивле­ние. Основная часть потока Ф будет замыкаться через правый стержень - поток Ф₂, обусловливающий возникновение напряжений U₂ и U_д. С увеличением входного напряжения U_вх будет пропор­ционально увеличиваться напряжение U₂ (рисунок 5.8, б). При даль­нейшем увеличении входного напряжения наступает насыщение правого стержня, и с этого момента магнитный поток Ф₂ будет изменяться мало, начнет увеличиваться поток Ф₁. Напряжение U₂ при этом изменяется незначительно - начинается процесс стабили­зации. Для повышения стабильности выходного напряжения служит компенсационная обмотка, напряжение в которой изменяется про­порционально входному напряжению. Так как компенсационная обмотка включена встречно с вторичной обмоткой, то результи­рующее напряжение на нагрузке равно их разности U_н = U₂ — U_К. Следовательно, небольшие изменения напряжения U₂ будут ском­пенсированы напряжением U_к, а напряжение на нагрузке будет более стабильно (кривая U_Н).



Рис.5.8. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения (а) и зависимости напряжений U₂, U_K и U_H от U_BX (б)

Вторичная обмотка вместе с дополнительной, зашунтированные конденсаторомС(см. рисунок 5.8, а), образуют колебательный контур, настроенный на частоту сети. Этот контур создает дополнительное насыщение правого стержня и улучшает стабилизирующие свойства феррорезонансного стабилизатора.

К достоинствам электромагнитных стабилизаторов напряжения относятся: возможность получения переменного напряжения высо­кой стабильности при значительных колебаниях напряжения сети; безинерционность действия, устойчивость электрических данных, простота конструкции и небольшая стоимость.

Наряду с достоинствами феррорезонансные стабилизаторы об­ладают и некоторыми существенными недостатками, ограничи­вающими область их применения: относительно невысокий к. п. д. (0,7-0,85), зависимость выходного напряжения от частоты сети; искажение формы выходного напряжения, для исправления которой требуется применение специальных фильтров; зависимость выход­ного напряжения от характера нагрузки; наличие значительных магнитных полей рассеяния.

25.Параметрические стабилизаторы напряжения.

Одним из простей­ших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рисунок 5.9, а). Кремниевый диод (стабили­трон) VD1, включенный в обратном направлении, является стабили­зирующим элементом. При малом обратном напряжении через стабилитрон протекает ток, мало зависящий от напряжения, как и в обычных диодах. Увеличение этого напряжения вызывает электрический пробой запорного слоя стабилитрона. В этом состоянии изменение тока в широких пределах почти не вызывает изменения напряжения на стабилитроне. Если мощность, выделяе­мая на стабилитроне, не превышает допустимую, то состояние пробоя может существовать бесконечно долго (десятки тысяч часов) и повторяться при включении и выключении диода. Это напряжение пробоя и является напряжением стабилизации U_ст.


Рис.5.9. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)
Точка А на вольтамперной характеристике стабилитрона (рисунок 5.9, 6) соответствует пробою стабилитрона, который происхо­дит при напряжении U_стmin. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения U_стmax при максимальном токе I_стmax (точка В) При дальнейшем увеличении тока мощность, выделяемая на стабилитроне, превысит допустимую и может произойти тепловой пробой (разрушение p-n - перехода).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона тоже достаточно крутая, и может быть использована для стабили­зации малых напряжений от 0,5 до 0,8 В при включении стабили­трона в прямом направлении.

В схеме (см. рисунок 5.9, а) через ограничивающий резистор R₀ протекает общий ток I₀, равный сумме токов стабилитрона и нагрузки I_н, т. е. I₀ = I_ст +I_н. При этом входное напряжение U_ВХ распределяется на резисторе R₀ и на нагрузке R_т: .

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно вклю­ченном стабилитроне U_н = U_СТ, которое определяется соотноше­нием: U_СТ = I_ст · r_д, где - динамическое (дифференци­альное) сопротивление стабилитрона (см. рисунок 5.9, б).

Как известно, кремниевые стабилитроны, включенные в обрат­ном направлении, обладают положительным (при U_стном> 5 В) или отрицательным (при U_стном< 5 В) температурным коэффициентом. Для уменьшения температурной нестабильности в полупроводни­ковых стабилизаторах последовательно со стабилитроном в пря­мом направлении включают германиевый диод VD2 (один или несколько) (см. рисунок 5.9, а).

К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся простота схемы, низкая стоимость, небольшие масса и габаритные размеры.

Однако параметрические стабилизаторы напряжения обладают и рядом существенных недостатков: довольно значительное выход­ное сопротивление; невозможность получения точного определен­ного значения выходного напряжения, а также плавной его регули­ровки; невысокий коэффициент стабилизации напряжения порядка 20-60; к. п. д. ≈ 30%; маломощны; токи нагрузки ограничиваются максимально допустимыми токами стабилитронов; не допускается параллельного включения стабилитронов, так как из-за различия сопротивлений токи через них будут распределяться неодинаково.

Для получения больших токов нагрузки, значительно превы­шающих токи стабилитрона, а также получения более высоких качественных показателей применяют компенсационные стабилиза­торы напряжения

Сопротивление

.

Выходное сопротивление стабилизатора , т.е. определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.

Мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не должна превы­шать номинальную . Коэффициент стабилизации по напряжению определяется из соотношения или из выражения (5.3).

Абсолютная нестабильность выходного напряжения, обуслов­ленная колебаниями входного напряжения и изменением темпера­туры окружающей среды,

,

где α_ст- температурный коэффициент, находится из технических данных;

Т - разность температур (диапазон изменения температуры окружаю­щей среды).
26. Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения.

Транзисторные стабилизаторы напряжения, имеющие значи­тельные преимущества перед параметрическими стабилизаторами напряжения, наиболее широко распространены. Стабилизаторы, содержащие замкнутую систему регулирования (систему управле­ния по отклонению), осуществляемую по цепи обратной связи, называются компенсационными стабилизаторами напряжения. Их основными элементами являются регулирующие элементы РЭ, выполненные на одном или каскадном соединении транзисторов (рисунок 5.10). Цепь обратной связи ОС содержит источник опорного напряжения ОН, кремниевый стабилитрон и схему сравнения СС с усилителем постоянного тока УПТ. В зависимости от способа включения регулирующего элемента компенсационные стабилиза­торы напряжения делят на два класса: параллельного и после­довательного типа.


Рис. 5.10. Структурные схемы компенсационного стабилизатора напряжения параллельного (а) и последовательного (б) типов

Наиболее широко распространены стабилизаторы последова­тельного типа. Они имеют довольно высокий КПД, экономичнее в режиме холостого хода, обладают более высоким коэффициентом стабилизации. В схемах простейших стабилизаторов последова­тельного типа с регулирующими транзисторами р-п-р и п-р-п структуры (рисунок 5.11, а и б) регулирующий транзистор VT1 включен по схеме усилителя с нагрузкой R_н в эмиттерной цепи (эмиттерный повторитель). Резистор R₀и стабилитрон VD1 образуют пара­метрический стабилизатор напряжения и являются источником опорного напряжения U_ст. Выходное напряжение транзисторного стабилизатора определяется разностью опорного напряжения и напряжения участка база-эмиттер регулирующего транзистора U_н = U_СТ — U_6э. Так как напряжение U_6э транзистора, работающего в активном режиме, составляет десятые доли вольта и мало зависит от тока эмиттера и напряжения U_ЭК, то напряжение на нагрузке будет близко к напряжению на стабилитроне.



Рис. 5.11. Стабилизаторы последовательного типа с транзисторами

p-n-p (a), n-p-n (б) структурами

Рассмотренные схемы транзисторных стабилизаторов последо­вательного типа имеют ряд преимуществ перед параметрическими. Они допускают большие токи нагрузки, имеют меньшее внутреннее сопротивление, выше коэффициент стабилизации. Однако достичь очень высоких значений коэффициента стабилизации в них не удается.


Рисунок 5.12 – Схемы компенсационного стабилизатора напряжения с усилителем постоянного тока (а); с усилителем постоянного тока и составным регулирующим транзистором (б)
Введение усилителя постоянного тока в цепь обратной связи увеличивает коэффициент стабилизации. Кроме того, в этот усилитель должен быть включен транзистор с возможно большим β, а также стабилитрон с малым дифференциальным сопротив­лением r_Д. Оптимальный выбор этих значений уменьшает выходное сопротивление стабилизатора. Увеличение К_ствозможно за счет увеличения сопротивления R1. Однако его нельзя выбрать очень большим, так как при этом ограничивается ток базы регули­рующего транзистора VТ1.

Компенсационные стабилизаторы с составным транзистором обладают более высокими электрическими характеристиками. У них выше коэффициент стабилизации, меньшее выходное сопро­тивление, большие токи нагрузки.

Мощность компенсационных стабилизаторов может быть значительно увеличена при параллельном включении транзисторов в регулирующем элементе (рисунок 5.13, а). Для более равномерного распределения тока нагрузки между этими транзисторами (из-за разброса параметров) в их эмиттерные или базовые цепи включают симметрирующие резисторы R1 и R2. Включение резисторов в эмиттерные цепи получило более широкое распространение и используется чаще.

27. Конвертор. Назначение. Принцип работы

Преобразователи постоянного напряжения (конверторы) поз­воляют получать на основе постоянного тока одного напряжение U_о1 постоянный ток другого напряжения U_о2(рисунок 6.8). Если на­пряжение переменного тока преобразуется просто - трансформато­рами, то преобразование напряжения постоянного тока связано с рядом технических трудностей. Сначала необходимо преобразовать постоянный ток в переменный, затем трансформировать его, увели­чивая или уменьшая до необходимого значения, а затем опять преобразовывать в постоянный ток.

Основными элементами конвертора являются: инвертор И, со­стоящий из задающего генератора ЗГ и усилителя мощности У; выпрямитель В и фильтр Ф. Все элементы конвертора взаимосвяза­ны. Характер реактивности нагрузки и схема сглаживающего филь­тра определяют режим работы выпрямителей. Процессы, проте­кающие в выпрямителе, во многом определяются режимом работы и схемой инвертора.


Рисунок 6.8 – Структурная схема конвертора
В качестве инвертора может быть использована любая схема из рассмотренных ранее. На выходе инвертора форма кривой напряже­ния должна быть как можно ближе к прямоугольной, что сущест­венно уменьшает амплитуду пульсации выпрямленного напряжения и упрощает конструкцию фильтра. Это требование лучше обеспечивают двухтактные схемы инверторов. Частота колебаний, выраба­тываемых инвертором, может лежать в диапазоне от сотен герц до нескольких килогерц. С увеличением частоты уменьшаются габа­ритные размеры, а также масса трансформаторов и дросселей. Но при частотах переключения больше нескольких килогерц индуктив­ность рассеяния, межвитковая емкость и емкость монтажа увеличи­вают продолжительность процессов коммутации, что приводит к возрастанию потерь и снижению к.п.д. преобразователя. В преобра­зователях применяют схемы выпрямления, не вызывающие посто­янного подмагничивания сердечника трансформатора на выходе инвертора. Большое влияние на работу преобразователя оказывает тип схемы фильтра, а также явление перекрытия фаз, возникающее за счет того, что диоды выпрямителя при смене полярности в течение некоторого отрезка времени, называемого временем восста­новления,проводят ток в обратном направлении. При этом вто­ричная обмотка трансформатора инвертора оказывается замкнутой почти накоротко. Транзисторы инвертора будут перегружены, вый­дут из режима насыщения, что приведет к возрастанию потерь и увеличению амплитуды пульсации выпрямленного напряжения. Фильтр, включенный после выпрямителя, оказывает существенное влияние на процесс переключения транзисторов преобразователя. Если на входе фильтра включена емкость, то время перекрытия фаз выпрямителя уменьшается, а если индуктивность, то наблюдается замедление спада тока, проходящего через диоды в течение времени восстановления. Это приводит к резкому увеличению времени перекрытия фаз и увеличению тока нагрузки инвертора в момент переключения.

Соответствующие схемные решения, правильный выбор элемен­тов и режимов их работы позволяют конструировать преобразова­тели этого типа с к.п.д., достигающим 80-90%.