Выпрямители. Выпрямители расчёт. Лабораторная работа 1 Источники вторичного питания Целью работы является исследование основных параметров источника вторичного
 Скачать 37.32 Kb.
|
|
1 Лабораторная работа №1 Источники вторичного питания Целью работы является исследование основных параметров источника вторичного питания электронной аппаратуры на базе однофазного двухполупериодного выпрямителя. ВВЕДЕНИЕ Источники вторичного питания (ИВП) предназначены для преобразования сетевого напряжения в постоянные напряжения, предназначенные для питания электронных схем. Существует две основные структурные схемы ИВП: классическая и импульсная. Классическая схема (сетевой трансформатор – выпрямитель – фильтр – стабилизатор постоянного напряжения) проста в реализации, но имеет существенный недостаток – крупногабаритный понижающий трансформатор. Поэтому все шире применяются импульсные ИВП (выпрямитель сетевого напряжения – высокочастотный преобразователь в импульсные напряжения требуемых номиналов – выпрямитель импульсного напряжения – сглаживающий фильтр – стабилизатор постоянного напряжения). Несмотря на большее количество структурных элементов импульсные ИВП имеют меньшие габариты и массу, т.к. параметры ВЧ трансформаторов на ферритовых сердечниках несравнимо лучше, чем трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали. Структурная схема классического ИВП представлена на рис. 1. Рис.1. Структурная схема классического ИВП Трансформатор предназначен для изменения уровня переменного напряжения и гальванической развязки выпрямителя и питающей сети. Выбор типа магнитопровода трансформатора (определяющего в основном его массогабаритные характеристики) производится, как правило, из стандартизированных значений по так называемой габаритной мощности, определяемой по заданной мощности во вторичных обмотках (суммарной мощности в нагрузке). 2 Выпрямитель - преобразует переменное напряжение питающей сети в выпрямленное пульсирующее (или импульсное напряжение одной полярности). Называть выпрямленное напряжение постоянным явно некорректно. Основными характеристиками выпрямителей являются: Номинальное напряжение постоянного тока Uср – среднее значение выпрямленного напряжения, задаваемое техническими требованиями. Номинальный выпрямленный ток Iср – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется суммой током всех цепей, питаемых от ИВП. Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, от которой питается выпрямитель. Стандартное значение напряжения для бытовой сети равно 220 В с допускаемыми отклонениями ±10 %. Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Является качественным показателем выпрямителя. Частота пульсаций – частота наиболее ярко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Частота пульсаций двухполупериодных схем равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз. Нестабильность напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. Определяется отклонениями напряжения питающей сети. Дополнительно ИВП характеризуют: Коэффициент пульсаций – характеризует отношение амплитуды 1-й гармоники напряжения пульсации к среднему значению: q=Uп1m/Uо. Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются требованиями нагрузки к качеству питания. Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев. Процесс выпрямления переменного напряжения основан на нелинейности ВАХ диода. Выпрямители могут быть однополупериодными и двухполупериодными. При этом они подразделяются на однофазные и многофазные. 3 Схема однополупериодного выпрямителя Рис. 2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 2. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде. Данная схема характеризуется следующими параметрами: Среднее значение выпрямленного напряжения (Uср): Действующее значение входного напряжения: Среднее значение выпрямленного тока: 4 Максимальное обратное напряжение на диоде: . Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора: Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в первом приближении равен отношению максимального и среднего значения напряжений. Для однофазного однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций p имеет наибольшее значение и равен: Поэтому на практике данную схему применяют в крайне редких случаях в маломощных устройствах, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения (как правило, для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям). К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Двухполупериодные схемы выпрямления 5 а. Схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора Рис. 3. Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки обмотки трансформатора и графики, поясняющие принцип ее работы Во время первого полупериода первый диод Д1 открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода диод Д1закрывается, поскольку он оказывается включенным в обратном направлении, а второй Д2, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. В двухполупериодном выпрямителе постоянные составляющие тока и напряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой: Uср = 0,9 Uвх Iср = 0,9 Uвх/Rн Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора: I2 = 0,78 Iср Коэффициент пульсаций двухполупериодного выпрямителя вдвое меньше, что является его достоинством: p = 0,67. Недостатком является наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). Т.к. ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора. 6 Существенным недостатком схемы на рис. 3 является то, что к закрытому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора: . Поэтому необходимо выбирать диоды с примерно вдвое большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовой схеме выпрямителя (рис. 4). б. Мостовая схема Рис. 4. Мостовая схема выпрямления Электрические параметры мостовой схемы выпрямления аналогичны параметрам схемы с выводом от средней точки выходной обмотки трансформатора, за исключением величины обратного напряжения на диодах: оно в два раза меньше. Трехфазные схемы выпрямления Чаще всего такие схемы применяются для получения выпрямленного напряжения большой мощности. На практике наиболее распространены следующие схемы: а. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления с нулевым выводом 7 Рис. 5. Трехфазный выпрямитель Сдвиг по фазам составляет 120°. На нагрузку работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течение 1/3 периода. При этом необходимо наличие вывода от средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения Uср = 1,17Uвх, обратное напряжение Uобр.max = 2,1Uср, коэффициент пульсаций р = 0,25. б. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова) 8 Рис. 6. Трехфазная двухполупериодная схема выпрямления По принципу действия такая схема аналогична однофазной мостовой. Для нее характерно: Uср = 2,34Uвх, Uобр.max = 1,05Uср, p = 0,057. Схема применяется при различных величинах выходного напряжения и токах нагрузки до сотен ампер. Схема экономична, теоретически имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций намного больше из-за несимметричности фазных питающих напряжений. Примечание. Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не только преобразовывал переменное напряжение, но и был способен изменять его значение. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор (см. рис.7). Рис. 7. Управляемый однополупериодный выпрямитель Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Оно выполняется короткими импульсами с 9 крутым фронтом. Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично случаю неуправляемого выпрямителя. При изменении времени задержки отпирания тиристоров выпрямленное напряжение меняется в сторону уменьшения. Это видно из графиков на рис. 8. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом регулирования и определяется как α = ωtз,, tз - время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf). Рис. 8. Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров ИМПУЛЬСНЫЕ ИВП Все рассмотренные источники питания имеют большую массу и габариты, определяемые, прежде всего, размерами трансформатора и сглаживающего фильтра. В настоящее время такие ИВП вытесняются преобразовательными устройствами, работающими на частотах в сотни килогерц,. Структурная схема импульсного ИВП приведена на рис. 9. Рис. 9. Импульсный источник вторичного питания В импульсных блоках питания переменное сетевое напряжение сначала выпрямляется. Выпрямленное напряжение преобразуется высокочастотным преобразователем в прямоугольные импульсы повышенной частоты (20-400 кГц) и определенной скважности. 10 Примечание________________: скважность (S) – классификационный признак, используемый в импульсной технике и определяющий отношение периода следования (повторения) импульса Т к его длительности τ; величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения D: S = T/τ = 1/D. Скважность определяет отношение пиковой мощности импульсной системы к ее средней мощности (при S = 0,3 будет передаваться 33% пиковой мощности). Ключевой элемент преобразователя (реализуется, как правило, на паре биполярных или МДП транзисторов) периодически с частотой порядка 20-100 кГц и на короткое время (не более 50% времени каждый) подает прямоугольное импульсное напряжение на накопительный элемент. В качестве накопительного элемента используется либо первичная обмотка ВЧ трансформатора (малогабаритного и с высоким КПД), либо катушка индуктивности. Импульсный ток, протекающий через обмотку, обеспечивает накопление энергии в её магнитном поле при каждом импульсе. Запасенная энергия передастся либо в нагрузку (с использованием выпрямляющего диода), либо во вторичную обмотку трансформатора, с которого снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью). Трансформаторы импульсных источников питания отличаются от традиционных: 1) использованием напряжения прямоугольной формы т.е. с крутыми фронтами; 2) усложненной конструкцией обмоток (выводы от средней точки); 3) работой на повышенных частотах (до нескольких сотен кГц). Кроме того, параметры трансформатора оказывают влияние на режим работы полупроводниковых приборов. Так, индуктивность намагничивания трансформатора увеличивает время переключения транзисторов; индуктивность рассеяния (при быстро меняющемся токе) является причиной возникновения перенапряжений на транзисторах, что может привести к их пробою; ток холостого хода уменьшает к. п. д. преобразователя и ухудшает тепловой режим транзисторов. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины (длительности) или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи). Отрицательная обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящей от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства за счет того, что, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие 11 значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики. К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, более высокую сложность. Остальные блоки приведенной выше структурной схемы импульсного ИВП принципиально не отличаются от таковых для ИВП, выполненного по классической схеме. 2. ЗАДАНИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ Методические указания к расчету выпрямителя 1. Вторичные обмотки трансформаторов необходимо всегда защищать плавкими предохранителями. В этом случае короткое замыкание в цепи нагрузки не приведет к таким последствиям, как выход из строя трансформатора и, тем более, не приведет к возгоранию аппаратуры. 2. Часто при конструировании выпрямителей оказывается, что в наличии нет диодов или конденсаторов с нужными характеристиками. В таком случае можно применить параллельное или последовательное соединение диодов или конденсаторов. 3. Если у имеющихся диодов допустимый ток меньше расчетного максимального, можно применить параллельное соединение таких диодов, умножив их допустимый ток на количество диодов в “связке”. 4. В случае, если допустимое обратное напряжение диодов меньше рассчитанного значения, можно применить их последовательное соединение, включив параллельно каждому диоду шунтирующие резисторы, которые выравнивают обратное напряжение между диодами. Величину сопротивления шунта рассчитывают по формуле: Rш = k/n ٠Uобр, где k – коэффициент, зависящий от Uобр и Iмакс: k = 700 для диодов с Uобр меньше 200 В и Iмакс (1 – 10) А, k = 150 для диодов с Uобр более 200 В и Iмакс менее 0,3 А; n – количество щунтируемых диодов. 7. Диоды для выпрямителя выбирают по двум основным параметрам: постоянному (выпрямленному) току, который должен давать выпрямитель, и обратному напряжению. Эти параметры выпрямительных диодов всегда приводятся в справочниках. 12 Максимальный ток диода должен быть не меньше полного тока, потребляемого нагрузкой. Чтобы в процессе работы диоды меньше нагревались, желательно применять такие, у которых выпрямленный ток был бы в 2 - 3 раза больше, чем требуемый. В течение отрицательного полупериода, соответствующего закрытому состоянию диода, к выпрямительному диоду прикладывается обратное напряжение. Оно складывается из напряжения, действующего на вторичной обмотке, и напряжения на конденсаторе, подключенном к выходу выпрямителя. Так как при малых токах нагрузки конденсатор заряжается до напряжения, почти равного амплитудному на вторичной обмотке, можно считать, что максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно амплитудному напряжению вторичной обмотки, увеличенному в 2 раз. Например, если напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет 30 В, то амплитудное напряжение будет в 2 раз больше, т.е. составлять примерно 42 В. Расчет выпрямителя (инженерный вариант) Рассчитать выпрямитель - значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: мощность нагрузки, требуемое напряжение на нагрузке (Uн) . Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме, приводится алгоритм расчета для этого случая. 1. Прежде всего, определяется переменное напряжение U2, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора: U2 = B Uн, где: Uн - постоянное напряжение на нагрузке, В; В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяется по Табл. 1). Табл. 1 Коэффициент Ток нагрузки, А 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 В 08 1,0 1,9 1,4 1,5 1,7 С 2,4 2,2 2,0 1,9 1,8 1,8 13 2. По току нагрузки определяется максимально допустимый ток диода, текущий через каждый диод выпрямительного моста: Iд = 0,5 С Iн, где: Iд - ток через диод, А; Iн - максимальный ток нагрузки, А; С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяется по Табл. 1). 3. Рассчитывается обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя: Uобр = 1,5 Uн, где: Uобр - обратное напряжение, В; Uн - напряжение на нагрузке, В. 4. По справочной литературе выбираются диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные значения. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Табл. 2. Исходные данные для расчета выпрямителя Вариант Мощность нагрузки, Вт Напряжения питания нагрузки, В Коэфф. пульсаций 1 1,0 12 0,05 2 2,4 12 0,03 3 1,2 12 0,04 4 2,5 19 0,1 5 1,8 24 0,03 3.1. В соответствии с заданными вариантом задания (мощности нагрузки, выпрямленного напряжения и коэффициента сглаживания) рассчитать напряжение во вторичной обмотке 14 трансформатора, сопротивление нагрузки, емкость и индуктивность Г-образного фильтра ИВП с мостовой схемой выпрямления. 3.2. По справочнику выбрать кремниевые диоды из числа имеющихся в наличии, удовлетворяющие рассчитанным значениям по напряжению и току ИВП. 3.3. Собрать макет схемы выпрямителя (без подключения сглаживающего фильтра). 3.4. Снять электрические характеристики выпрямителя в режиме холостого хода и при номинальной нагрузке. Контрольные вопросы 1. Особенности используемых на практике схем выпрямителей ИВП. 2. Коэффициент пульсаций различных схем выпрямителей, методы их снижения. 3. Требования к подбору выпрямляющих диодов схемы выпрямителя, требования к параллельному подключению диодов. 4. Методы стабилизации выходного напряжения ИВП. Недостатки применения полупроводниковых стабилитронов. 5. Импульсные источники питания, их преимущества и недостатки. ЛИТЕРАТУРА 1. Гусев В.Г.Электроника и микропроцессорная техника: уч. пос. для вузов. 3 изд. - М., Высшая шк., 2004, 790 с. 2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: уч. пос. для вузов. 2-е изд. - М., Лаборатория базовых знаний, 2003, 486 с., ил.__ |