лабораторная работа 22. Теоретические сведения и расчетные формулы

• Название: Теоретические сведения и расчетные формулы
• Анкор: лабораторная работа 22
• Дата: 17.06.2020
• Размер: 0.51 Mb.
• Имя файла: Lr22.doc
• Тип: Лабораторная работа; #131001
• страница: 1 из 3

Лабораторная работа 22 (Lr22)
ОДНОФАЗНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ВЫПРЯМИТЕЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование однофазных одно- и двухполупериодных схем выпрямления и сглаживающих LC-филь­­­тров; построение вольтамперных характеристик неуправляемого и управляемого выпрямителей.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Выпрямителем (источником вторичного электропитания) называют устройство, служащее для преобразования переменных напряжения и тока в постоянные, которые необходимы для питания ряда электронных устройств.

О
бобщённая структурная схема однофазного выпрямителя на полупроводниковых приборах, состоящая из трансформатора, выпрямительного блока, сглаживающего фильтра и стабилизатора, приведена на рис. 22.1, а.

Трансформатор Тр предназначен для согласования входного (се­тевого) напряжения u₁ и выходного (выпрямленного)u_н напряжения нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию выпрямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (тока) в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрямителя необходим блок уп­равления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения u_н. В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживающий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебаниях напряжения сети и при изменении сопротивления нагрузки. В зависимости от условий работы и предъявляемых требований к выпрямителю отдельные его узлы могут отсутствовать.

Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью нелинейных элементов с несимметричной ВАХ, обладающих вентиль­ными свойствами (односторонней проводимостью). Это свойство характерно для электрова­куумных, ионных и полупроводниковых приборов. В данной работе будут исследоваться выпрямители на полупроводниковых приборах, которые в настоящее время находят наибольшее применение.

Идеальный электрический вентиль не имеет потерь, его сопротивление в проводящем направлении от анода А к катоду К (рис. 22.1, б) равно нулю, в непроводящем  бесконечности, т. е. ВАХ имеет вид 2 в отличие от ВАХ 1 реального вентиля. Простейшие вентили (диоды) являются неуправляемыми, а вентили (тиристоры, транзисторы, электронные лампы), имеющие третий (управляющий) электрод, составляют широкий класс управляемых вентилей.

С учетом рассмотренных типов вентилей и предъявляемых требований к качеству напряжения питания нагрузочных устройств, строят различные схемы выпрямления, т. е. устройства, называемые выпрямителями.

Классификационные признаки выпрямителей:

 неуправляемые (U_н= const) и управляемые (U_н= var);

 однотактные и двухтактные;

 однофазные и многофазные (чаще трехфазные);

 малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности;

 низкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.

Основные параметры выпрямителя:

 U_ср (I_ср)  среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;

 U_m.ог  амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

 q_n = U_m.ог/U_ср  коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;

 S  мощность трансформатора (в вольтамперах  ВА или в киловольтамперах  кВА);

 I_пр.ср  прямой средний ток вентиля;

 U_пр.ср  среднее напряжение (менее 2 В) на вен­тиле при токе I_пр.ср;

 U_обр.max и I_пр.max  максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля.

2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Мощность однофазных неуправляемых выпрямителей переменного тока колеблется от десятков до нескольких сотен ватт. Основными схе­­мами однофазных выпрямителей являются: однополупериодная и двухпо­лупери­од­ная (мос­то­вая или со средней точкой).

Однофазная однополупериод­ная схема выпрямления (рис. 22.2, а) с активной нагрузкой является про­­стейшей из известных схем вы­пря­мле­ния. Она состоит из сил­­о­вого тран­сформатора Тр, одного венти­ля (диода) VD и нагрузки R_н. Первичная обмотка трансфор­ма­­тора включена в сеть переменного тока с напряжением u₁; к вторичной об­­­мотке с напряжением u₂ последовательно подключены диод VD и нагрузка (резистор R_н).

Временные диаграммы нап­ря­жения u₂ вторичной обмотки трансформатора, напряжения на нагрузке u_н и на вентиле u_d представлены на рис. 22.2, б, в и г.

Ток i_н в нагрузке протекает толь­ко при положительной полуволне вторичного напряжения u₂ трансформатора, т. е. когда напря­жение на аноде диода более положительное, чем на его катоде. При этом напряжение на диоде U_пр < 2 В. При отрицательной полуволне u₂ диод закрыт, максимальное обратное напряжение на диоде U_обр.max  U_2m.

Ток в нагрузке R_н протекает только в один полупериод синусоидального напряжения, отсюда название выпрямителя – однополупериодный.

Среднее выпрямленное напря­жение и ток за период

.

Амплитуда U_m.ог основной гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,



Тогда коэффициент пульсации



Однофазные полупроводниковые выпрямители используют для питания устройств, требующих малого тока и высокого напряжения, например, для питания электронно-лучевых трубок, трубок рентгеновских аппаратов и др.

К недостаткам этих выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД; малое значение выпрямленного напряжения (U_ср  1/3U_2m); высокий уровень пульсаций (q_n = 1,57) и большое обратное напряжение на диоде (U_обр  U_2m).

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рис. 22.3, а) состоит из трансформатора Тр и четырех диодов, собранных по мостовой схеме.

Од­на из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки транс­форматора, вторая диагональ – с нагрузкой R_н. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов вентилей, отрицательным – точка соединения анодов. Временные диаграммы выпрямленного напряжения u_н и тока i_н приведены на рис. 22.3, б. В положительный полупериод синусоидального напряжения u₂, когда точка 1 находится под положительным, а точка 2 под отрицательным потенциалами, ток i₂' протекает через вентиль VD1, сопротивление нагрузки R_н и вентиль VD3. Вентили VD2 и VD4 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным нап­р
яжением.

Во второй полупериод, когда в точке 1 вторичной обмотки отрицательный потенциал, а в точке 2 – положительный, ток i₂'' протекает через вентиль VD2, резистор R_н и вентиль VD4 в направлении, указанном стрелками с одним штрихом. Вентили VD1 и VD3 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением.

Таким образом, токи i₂' и i₂'', протекающие через нагрузку R_н, совпадают по направлению. Кривые напряжения и тока на нагрузке (см. рис. 22.3, б) повторяют (при прямом напряжении на диодах U_пр  0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения U_2m.

Среднее значение выпрямленного напряжения и тока (постоянные составляющие):

, где

Амплитуда основной (второй) гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,



Тогда коэффициент пульсации



Обратное напряжение на вентиле

В двухполупериодной схеме выпрямления в сравнении с однополупериодной значительно лучше исполь­зуется трансформатор, меньше коэффициент пульсации (q_п  0,67), хотя его величина остается значительной.

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Растёт группа потребителей энергии, которые нуждаются в регулируемом выходном напряжении. Для питания таких потребителей применяют тиристорные выпрямители: однофазные при малых токах потребления и трехфазные большой мощности.

На рис. 22.4, а приведена схема однофазного управляемого выпрямите­ля с выводом нулевой точки трансформатора. В качестве вентилей в выпрямителе использованы тиристоры VS1 и VS2.

П ри указанной на рис. 22.4, а полярности вторичного напряжения u₂ трансформатора Tр тиристор VS1 может пропускать ток i_н' при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления I_y1. Этот сигнал подают со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол , называемый углом управления (рис. 22.4, б). Моментом естественного отпирания тиристора называют момент появления положитель­ного напряжения между анодом и катодом тиристора (при α = 0).

При включении тиристора при активной нагрузке R_н в момент времени t = α напряжение на нагрузке u_н возрастает скачком до значения u_н' = u₂' (при идеальном тиристоре и идеальном трансформаторе). При t =  ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор VS1 запирается. До отпирания тиристора VS2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку не передается. В момент t =  + α подается управляющий импульс на тиристор VS2, тиристор открывается, к нагрузке прикладывается напряжение u_н''. Ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент t = 2 происходит выключение тиристора VS2.

Среднее значение напряжения на нагрузке и коэффициент пульсаций:





где п  2 – номер основной гармоники выпрямленного напряжения.

Уменьшение среднего напряжения U_ср (тока I_ср) при увеличении угла α показано на рис. 22.4, в. Зависимость U_ср(α) называют регулировочной характеристикой выпрямителя. Задержка по фазе управляющих сигналов, по­даваемых на тиристоры, осуществляется с помощью систем импульсного фазового управления.

4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Требования к уровню пульсации питающего электронную аппаратуру напряжения очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации q_n для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1…2 %, однотактных усилителей 0,1…0,5 %, а усилителей промежуточной частоты – 0,01…0,05 %.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания k_c, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя q_n (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке q_n1 (после фильтра), т. е.



Р
азличают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC-фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока. В бездроссельных активных фильтрах роль индуктивных элементов выполняют обычно транзисторы, сопротивления которых по переменному току при определенных режимах работы могут быть во много раз больше сопротивлений по постоянному току. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания k_c от тока нагрузки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC-фильтрами, однако их параметры зависят от температуры.

На рис. 22.5. приведены схемы простейших однофазных сглаживающих LC-фильтров широкого применения. Ёмкостный фильтр С (рис. 22.5, а) включается параллельно высокоомной нагрузке R_н, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических со­с­тавляющих тока.

Сглаживание пульсаций напряжения и тока нагрузки происходит за счёт периодической зарядки конденсатора С фильтра (когда напряжение u_в > u_С) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки при u_в < u_С.

В
ременные диаграммы выпрямленного напряжения u_в двухполупериодного выпрямителя и напряжения на нагрузке u_н, поясняющие принцип действия C-фильтра, изображены на рис. 22.6, а.

Требуемая ёмкость конденсатора фильтра при заданном коэффициенте пульсации q_n1:

 для однополупериодной схемы выпрямления

С  2/(q_n1R_н);

 для двухполупериодной схемы выпрямления

С  1/(2q_n1R_н),

где   угловая частота напряжения u₂ трансформатора.

Коэффициент пульсации обычно выбирается в диапазоне q_n1 = 0,01…0,1.

Пусть q_n1 = 0,1 и R_н = 320 Ом. Тогда С  2/(0,1314320)  200 мкФ для однополупериодной и С  50 мкФ для двухполупериодной схемы выпрямления.

Одноэлементный L-фильтр (рис. 22.5, б) включают последовательно с нагрузкой R_н. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i_н магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения u_в ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рис. 22.6, б). Коэффициент сглаживания L-фильтра



Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление R_н мало) L-фильтр действует наиболее эффективно.

Требуемая индуктивность дросселя при заданном коэффициенте k_c



где п – но­мер основной гармоники выпрямленного напряжения u_в.

Например, при заданном коэффициенте k_c = 10 и R_н = 10 Ом требуемая индуктивность дросселя L  k_cR_н/(n) = 1010/314 = 0,32 Гн для однополупериодной и L  0,16 Гн для двухполупериодной схемы выпрямления.

В LC-фильтре (рис. 22.5, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей , а сопротивление дросселя X_L по переменной составляющей должно быть значительно больше сопротивления Z_пар параллельно соединенных элементов R_н и X_C. Приняв Z_пар = X_C , коэффициент сглаживания LC-фильтра



Тогда для расчёта L и C получаем



Из этого равенства находят L, задаваясь С, или находят С, задаваясь L.

Если при расчёте LC-фильтра мощного выпрямителя получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С > 150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный СRC-фильтр: одноэлементное C₁-звено и Г-об­разное RC-звено (рис. 22.5, г), у которого

,

где k_c1 и k_c2 – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев.

Активное сопротивление R и ёмкость С RC-фильтра:

; ; .

Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после С-фильтра обычно включают дополнительное Г-образное LC-звено. Получившийся П-об­раз­ный СLС-фильтр (рис. 22.5, д) рассчитывают как двухзвенный:

.

Пусть R_н = 320 Ом; и Тогда для однополупериодной схе­мы вы­п­рямления 200 мкФ, а

= с².

Зададим С₂ = 100 мкФ. Отсюда L =  1,12 Гн.

Для двухполупериодной схемы выпрямления при С₂ = 100 мкФ требуемая индуктивность дросселя L  0,28 Гн.