эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
7. СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ И УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ПОСТРОЕННЫЕ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ 7.1. Выпрямительные устройства Выпрямительные устройства могут быть управляемые и неуправляемые. Первые построены на тиристорах, вторые – на полупроводниковых диодах. По числу фаз источника различают однофазные и многофазные чаще трехфазные) выпрямительные устройства, по схемотехническому решению – с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые. Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При относительно небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) задачу преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в постоянный решают с помощью однофазных выпрямителей. 7.1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель В общем случае структурная схема выпрямителя содержит трансформатор, выпрямительные диоды, сглаживающий фильтр и стабилизатор выпрямленного напряжения. Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение приемника при изменении напряжения сети. Отдельные узлы могут отсутствовать, это зависит от назначения выпрямителя. 83 Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на риса, временная диаграмма выпрямленного напряжения и тока – на рис. 58, б. Выпрямитель состоит из трансформатора (Т, к вторичной обмотке которого последовательно подключены диод (VD) и нагрузочный резистор (н. В первый полупериод, те. в интервале времени (0 – T/2), диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б, и под действием напряжения вцепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток н Во второй полупериод, те. в интервале времени (T/2 – T), диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует и к запертому диоду прикладывается обратное напряжение. Средние значения выпрямленных тока и напряжения малы, а коэффициент пульсации достаточно высок (К п = 1,57) , поэтому они применяются в основном для питания высокоомных нагрузочных устройств небольшой мощности (электонно-лучевых трубок. Коэффициент пульсаций – это отношение амплитуды первой (основной) гармоники, частота которой в данном случае равна , к напряжению U н.ср , те. К п = . , U / U 57 1 2 2 н.ср н.ср I m U m T/2 t н н б – ` наб на н Т t I н.ср Рис. 58 U,I T н ср 84 7.1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель Однофазные двухполупериодные выпрямители бывают двух типов мостовые и с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители более мощные, чем однополупериодные, так как сих помощью нагрузочные устройства используют в работе оба полупериода напряжения сети. Коэффициент полезного действия (КПД) их значительно больше, чем однополупериодных выпрямителей. Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей представлены на риса и 59, б. В однофазном выпрямителе с нулевым выводом (риса) нагрузка подключается к выводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Предположим, что в верхней половине вторичной обмотки трансформатора имеется положительная полуволна синусоиды переменного тока, те. потенциал точки а – положительный, а потенциал точки «0» – отрицательный тогда диод VD 1 будет открыт, через него и нагрузочный резистор н проходит ток В этот же момент времени диод VD 2 будет закрыт, так как потенциал точки б – отрицательный, а потенциал нулевой точки «0»– положительный и ток через диод не проходит. Когда знаки входного напряжения синусоидального переменного тока поменяются и положительная полуволна будет в нижней половине вторичной обмотки i 2 б ан н Рис. 59 85 трансформатора, те. потенциал точки б станет положительным, а потенциал точки «0» – отрицательным, диод VD 2 откроется, через него и нагрузку пройдет ток i 2 ; диод VD 1 закроется и ток через него не пройдет. В результате в нагрузочном резисторе за оба полупериода синусоиды появляется ток н = Мостовой двухполупериодный выпрямитель (рис. 59, б) состоит из трансформатора Т и четырех диодов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. Нагрузочный резистор подключен к одной диагонали моста, а вторичная обмотка трансформатора – к другой. Каждая пара диодов (VD 1 и VD 3 ; VD 2 и VD 4 ) работает поочередно. Диоды VD 1 – VD 3 открыты в первый полупериод синусоиды (интервал времени 0 – T/2), так как потенциал точки а выше потенциала точки баб. При этом в нагрузочном резисторе н появляется ток i н = i В этом же интервале времени диоды VD 2 – VD 4 закрыты. В следующий полупериод приходящей синусоиды (T/2 – T) потенциал точки б становится больше потенциала точки а ( б > а, диоды VD 2 – VD 4 открываются, а диоды VD 1 – VD 3 закрываются и через нагрузочный резистор проходит ток н = i 2 . В оба полупериода ток через нагрузку н имеет одно и тоже направление. Выпрямленный ток нагрузки н = i 1 + i 2 Временные диаграммы тока и напряжения для обеих изображенных на рис. 59 схем – одинаковы (рис. 60). Коэффициент пульсации у однофазных двухполупериодных выпрямителей значительно меньше, чему однополупериодных (К п 0,67). При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки m m I , I I 64 0 2 Тем не менее, главным преимуществом мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя перед схемой с нулевым выводом средней точки трансформатора является более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать диоды поскольку оно Амплитуда основной гармоники частотой 2 равна 2/3, поэтому подсчет коэффициента пульсации дает значение 0,67. 86 прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам, включенным последовательно, на интервале проводимости двух других диодов. Эти преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем количестве диодов. Поэтому наибольшее применение нашла схема двухполупериодного мостового выпрямителя однофазного тока небольшой и средней мощности. Трехфазные выпрямители Многофазное, в частности трехфазное, выпрямление дает возможность значительно уменьшить пульсации выпрямленного напряжения. Трехфазные выпрямители применяются как выпрямители средней и большой мощности. Существует два основных типа трехфазных выпрямителей – выпрямители с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора риса выпрямители мостовые (рис. 61, б. u,i i u U m t t t t I m 0 0 0 0 i 1 i 2 u н ,i н u н i н U 0 I 0 Рис. 60 87 Выпрямитель первого типа состоит из трехфазного трансформатора Т, обмотки которого соединены звездой, трех диодов VD 1 , VD 2 , VD 3 , включенных в каждую фазу трансформатора, и нагрузочного резистора R Н Диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фаз обмоток (например, a) более положителен, чем двух других (b и Выпрямленный ток создается токами каждого диода, имеет одно и тоже направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз н = i a + i b + Коэффициент пульсации этих выпрямителей еще ниже (подсчет коэффициента пульсаций дает значение К П = 0,25), а средняя составляющая выпрямленного тока и напряжения значительно выше. Выпрямитель второго типа (схема Ларионова) содержит мост из шести диодов. Н R Н VD 1 VD 2 i c i a i b u н i наб н н i c i a i b i 1 i 3 i 5 i 2 i 4 i 6 Рис. 61 88 Диоды VD 1 , VD 3 , VD 5 образуют одну группу, в которой соединены все катодные выводы, а диоды VD 2 , VD 4 , VD 6 – другую, в которой соединены все анодные выводы. Общая точка первой группы образует положительный полюс на нагрузочном реостате На общая точка второй группы – отрицательный полюс. В каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе Нив двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение. Таким образом, в каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наибольший положительный потенциал относительно потенциала нулевой точки, а вместе с ним – диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно потенциала этой же нулевой точки. Пульсации выпрямленного напряжения в этом выпрямителе еще меньше, чем в предыдущем (подсчет дает значение К П = 0,057), а КПД значительно выше, так как в нем нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током. Временные диаграммы, представленные на рис. 62 наглядно иллюстрируют порядок переключения диодов в обеих схемах трехфазных выпрямителей, а также показывают формы кривых выпрямленных значений напряжения и тока. На риса представлены синусоиды трехфазного переменного напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга на одну треть периода (2 /3), питающие первичную обмотку трансформатора. Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток i a , i b , i c представляют собой три последовательности импульсов, длительностью и амплитудой I m = U m / н каждая, сдвинутые относительно друг друга на 1/3 периода, ток нагрузки н = i a + i b + i c имеет постоянную составляющую I 0 , а выпрямленное напряжение, имеющее постоянную составляющую U 0 , равно сумме положительных полуволн напряжений вторичных обмоток н = н i н Работу мостового выпрямителя иллюстрируют совмещенные повремени кривые токов диодов первой группы i 1 , i 3 , i 5 , (рис. 62, б, токов диодов второй группы i 2 , i 4 , i 6 и тока нагрузки на также выпрямленного напряжения н = н н 89 Максимальное значение выпрямленного напряжения равно амплитуде синусоидального линейного напряжения трехфазного источника, а максимальное значение выпрямленного тока н 3 R / U I m m В мостовом выпрямителе на каждых двух фазах, в которых диоды оказываются открытыми, осуществляется двухполупериодное выпрямление каждый импульс имеет длительность T/6, в отличие от б u a u b u c u н u н ,i н 0 0 0 0 0 0 0 0 t t t t t t t t U m 3U m I m н T/6 T I m i 1 i 3 i 5 i 2 i 4 i 6 0 u u a u b u c н u н ,i н U m U 0 I 0 t t t t t 0 0 0 0 i a i b i c на Рис. 62 90 выпрямителя (риса, где между каждой фазой с открытым диодом и нулевым выводом осуществляется однополупериодное вы- прямление. Мощность многофазных выпрямителей обычно – от десятков до сотен киловатт и больше притоках до 100 000 А, коэффициент полезного действия достигает 98 %. 7.1.4. Понятие о сглаживающих фильтрах Для улучшения формы кривой выпрямленного напряжения и для уменьшения пульсаций используются сглаживающие фильтры. Они выполняются на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов. Дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсаторы – параллельно ей. По способу соединения элементов фильтры бывают Г-образ- ные, Т- образные и П-образные. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение с наименьшими пульсациями. Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание сне- обходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки. В выпрямителях средней и большой мощности, выполненных по однофазной схеме, самым распространенным является простейший емкостной фильтр, когда конденсатор ф включается параллельно нагрузке – н (риса. Включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую выпрямленного напряжения U 0 и уменьшает пульсации выпрямленного тока н, увеличивая тем самым его постоянную составляющую. В интервале времени t 1 t 2 конденсатор ф через открытый диод заряжается почти до амплитудного значения напряжения заряд конденсатора происходит по восходящей экспоненте. Так как U 2 > сток в этом интервале времени i a = i c + н. В интервале времени t 2 t 3 , когда напряжение U 2 уменьшается и становится меньше U c , конденсатор разряжается (разряд конденсатора происходит по нисходящей экспоненте) на нагрузку н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе н (рис. 63, б. Далее процесс вцепи будет периодически повторяться, те. происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током сот источника энергии и его последующая разрядка на цепь приемника. 7.2. Усилительный каскад на биполярных транзисторах Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения значений параметров электрических сигналов за счет энергии включенного источника питания. Различные усилители применяются для усиления значений тех или иных параметров сигналов. Поэтому признаку они делятся на усилители напряжения, тока и мощности. Возможны линейный и нелинейный режимы работы усилителей. В усилителях с практически линейным режимом работы получается минимальное искажение формы усиливаемого сигнала. В усилителях с нелинейным режимом работы при увеличении значения напряжения на входе больше некоторого граничного уровня, изменение напряжения на выходе усилителя практически отсутствует. Такие усилители применяются в устройствах импульсной техники, в том числе логических. В настоящее время усилительная техника основана на широком внедрении усилителей в интегральном исполнении. Поэтому актуальным становится не разработка самих усилителей, а их применение для реализации различных функциональных узлов автоматики, управления и измерения. Рис. 63 U 1 U 2 с н i a i c н VD н ф Т u,i 0 t 1 t 2 t 3 t сна б t 4 92 Структурная схема усилительного каскада представлена на рис. 64. На этой схеме УЭ – нелинейный управляемый элемент (транзистор U вх – напряжение входной цепи, к которой подводится усиливаемый сигнал U вых напряжение выходной цепи, в которой получается усиленный сигнал E – батарея питания транзистора. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного элемента УЭ, а следовательно, и тока в выходной цепи под воздействием входного напряжения или тока. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Основным параметром усилительного каскада является коэффициент усиления – по напряжению вх вых U U K U ; – потоку вх вых I I K I ; – по мощности вх вых P P K P Коэффициент усиления одного каскада обычно составляет несколько десятков, а для инженерной практики необходимо несколько тысяч, поэтому используют многокаскадный усилитель, в котором каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя K U = = K 1 ∙ K 2 ∙…∙K n , где K 1 , K 2 ,…K n коэффициенты усиления каждого каскада. Обычно оконечным каскадом многокаскадного усилителя является усилитель мощности. Рис. 64 93 В усилителях напряжения чаще используется усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ), который представлен на рис. 65. Источник усиливаемого сигнала представляет собой источник с внутренним сопротивлением R вт и ЭДС E вх . Конденсаторы большой емкости C 1 (часто называемый входными (называемый разделительным) отделяют цепь постоянного тока (цепь питания) отцепи источника входного сигнала и цепи приемника с сопротивлением нагрузки н. Конденсатор C 2 , как конденсатор междукаскадной связи, на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей усиленного сигнала. Резистор с сопротивлением к выбирается исходя из требуемого коэффициента усиления ( |