Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 7 )

Uвых  = Eд  K

       

Источники электропитания электронных устройств

Общие понятия

       Выпрямители – это устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий ток одного направления, осуществляемое в основном вентилями (диодами) и зависит от вольт-амперных характеристик этих приборов.

       Электрические вентили, применяемые в данных схемах выпрямления, должны обладать достаточно малым сопротивлением Rпр, минимальным обратным током Iобр и достаточно большим обратным напряжением, а также потреблять минимальное количество энергии.

Основные элементы схем выпрямления – это вентили, силовые трансформаторы, сглаживающие фильтры.

Вспомогательные – трансформаторы для питания цепей накала ламп, стабилизаторы напряжения и т. д.

Силовой трансформатор служит для согласования напряжения сети с заданным значением выходного напряжения. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Иногда между нагрузкой и сглаживающим фильтром включается стабилизатор напряжения.

Выпрямители различаются следующим образом:

по числу фаз: одно – и многофазные, по прохождению тока через вторичную обмотку: однотактные и многотактные, по периодичности тока: однополупериодные, двухполупериодные, по мощности:  маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 5 КВт), мощные (свыше 5 КВт), по напряжению: низкого ( до 250 В), среднего (до 1000 В), высокого (свыше 1000 В), по частоте: промышленной (50 Гц), повышенной (400-1000 Гц), высокой (свыше 1000 Гц)

Неуправляемые выпрямители.

               Однополупериодные выпрямители

Состоит из силового трансформатора и вентиля V. Максимальное значение тока через вентиль определяется следующим образом:

Пульсирующий ток представляется в виде гармонических составляющих

Тогда

  -  постоянная составляющая выпрямленного тока

- переменная составляющая выпрямленного тока

Следующие составляющие – высшие гармоники выпрямленного тока. Ими можно пренебречь. Отношение амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока (напряжения) к постоянной составляющей выпрямленного тока (напряжения) называется коэффициентом пульсации

  для данной схемы.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Выпрямленное напряжение составляет 0,45 от действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора

               Схема однофазного выпрямителя с выводом нулевой точки.

       Имеет два вентиля, причем в течение одного полупериода ток проходит через вентиль V1, а в течение другого – через вентиль V2. Трансформатор имеет две вторичные обмотки с общим нулевым проводом.

       В первый полупериод (0-р) потенциал анода V1 положителен, а V2 отрицателен. Следовательно, в цепи V1-Rн протекает анодный ток iа2;  V2 – закрыт. В следующий полупериод фазы ЭДС на вторичной обмотке меняются на 1800. При этом V1 закрыт, а  V2 – открыт и в цепи V2-Rн течет ток iв2. Поэтому i0 течет только в одном направлении, т. к. поддерживается чередованием  iа2 и iв2 . Он вызывает в нагрузке пульсирующее напряжение U0. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке и трансформаторе  U0=0,9Е2, где Е2 – действующее значение фазной ЭДС.

Тогда выпрямленный ток  I0 = U0/ Rн.

Среднее значение выпрямленного тока через один вентиль Iа=I0/2.

Максимальное обратное напряжение  Uобр мах=р U0.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Тогда ток, протекающий по первичной обмотке

,  где п=w1/w2 – коэффициент трансформации,

w1, w2 – количество витков первичной и вторичной обмоток.

Расчетная мощность трансформатора:

Коэффициент пульсации

Однофазный мостовой выпрямитель

В положительном  полупериоде  i1 проходит через вентили 1 и 3.  В отрицательном – ток i2 проходит через вентили 2 и 4. Через Rн  ток идет только в одном направлении. По вторичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Поэтому схема считается  двухтактной.  Среднее значение выпрямленного напряжения

Если учесть внутреннее сопротивление вентилей, то 

Расчетная мощность трансформатора  Рт = 1,23Р0.

Максимальное обратное напряжение  Uобр мах= - независимо от характера нагрузки.

Преимущества схемы: сравнительно небольшое обратное напряжение.

Если допустимое обратное напряжение одного вентиля меньше Uобр мах, то в каждое плечо последовательно включается по несколько вентилей. При этом соблюдается условие

,  где

п – число вентилей в плече моста.

Трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки (схема Миткевича)

Точки p, q,v – точки естественного переключения вентилей. Ток через вентиль и связанную с ним фазу вторичной обмотки трансформатора проходит в течение одной трети периода, когда напряжение соответствующей фазы выше напряжения на двух других фазах. Тогда ток  в двух других фазах и вентилях в эту треть периода не проходит, т. к. потенциалы анодов этих вентилей ниже потенциалов их катодов.

       Точки p, q,v соответствуют прекращению тока одного вентиля и появлению тока прямой проводимости следующего вентиля. Тогда выпрямленный ток разлагается на гармонический ряд Фурье:

,

где Imax – максимальное значение тока через вентиль,

т – число фаз сети.

Постоянная составляющая выпрямленного тока, при частоте пульсации fn = 3f

Зная, что   и    найдем выпрямленное напряжение

Среднее значение тока  Iср  = I0 /3

Расчетная мощность трансформатора  Рт = 1,35Р0

Обратное напряжение  Uобр  = 2,09U0

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2=U0/1,17 =  0,855U0

Коэффициент пульсации  ,

  где - напряжение первой гармонической составляющей

Это почти в 2,5 раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. Применяется для выпрямления электрических сигналов средней мощности

Трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки (схема Ларионова)

Представляет собой как бы три простые мостовые схемы:

Первая  -  вентили 1,2,3,4

Вторая  -  вентили 1,2,5,6,

Третья  -  вентили  3,4,5,6. 

Все вентили в схеме работают попарно-поочередно, причем в любой момент времени работает нечетный вентиль с наиболее отрицательным  потенциалом катода и четный вентиль с наиболее положительным потенциалом анода.

Ток проходит через пару вентилей, разность потенциалов  между которыми в данный момент времени максимальный. Смена пар вентилей происходит через каждые 2р/6  (60 эл. гр.), смена вентилей – через 2р/3  (120 эл. гр.).

Выпрямленное напряжение U0=2,34U2ф, где U2ф - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Расчетная мощность трансформатора  Рт = 1,05Р0

Обратное напряжение определяется линейным напряжением вторичной обмотки: 

Коэффициент пульсации 

Преимущества:

Возможность отсутствия трансформатора при напряжении сети, соответствующем необходимому значению выпрямленного напряжения. Увеличение частоты пульсации в два раза и уменьшение коэффициента пульсации более чем в четыре раза, что уменьшает габаритные размеры и массу сглаживающего фильтра. Значительно лучшее использование вентилей по напряжению, что позволяет получить высокие выпрямленные напряжения.

Недостаток: двойное потребление вентилей

Выпрямители с удвоением напряжения

Для исключения из схем трансформаторов (дороговизна) применяют схемы удвоения или умножения напряжения. Это позволяет получить выпрямленное напряжение в 2-4 раза больше напряжения сети.

При положительной полуволне переменного тока конденсатор С1 заряжается через вентиль V1 до амплитудного значения напряжения сети. При отрицательной  - заряжается конденсатор С2 через вентиль V2.  Непременное условие схемы – равенство конденсаторов (С1 = С2) и по отношению к нагрузке подключены параллельно. При малых нагрузках конденсаторы не успевают разряжаться, поэтому выходное напряжение выпрямителя равно удвоенному амплитудному значению напряжения сети.