Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 8 )

При номинальной нагрузке U0 = 2U

Током нагрузки является ток разряда соединенных последовательно конденсаторов С1  и С2. Частота пульсации равна двойной частоте сети. В данных схемах целесообразно применять полупроводниковые вентили.

Недостаток: невозможность заземления нагрузки, т. к. это может привести к замыканию одного из вентилей.

Каскадный выпрямитель с удвоением напряжения

При положительной полуволне ток  I1 , проходя через вентиль V1 заряжает конденсатор С1 до амплитудного значения входного напряжения. При отрицательной полуволне I2  заряжается С2 через  V2 и одновременной разрядки С1 до двойного амплитудного значения входного напряжения. При включении нагрузочного резистора Rн напряжение на нем снижается в среднем до двойного действующего значения входного напряжения. Ток разряда С2 является током нагрузки I0. Преимущества: возможность заземлять нагрузку, т. к. минус нагрузки соединен непосредственно с сетью. Частота пульсации в схеме равна частоте сети. С2 заряжается по одному разу за каждый период питающего тока, из-за того, что подключен параллельно к нагрузке.

Управляемые выпрямители.

А) Однофазный управляемый выпрямитель.

Управляемый выпрямитель – это выпрямитель с управляемыми вентилями (тиристорами). Он позволяет регулировать уровень выпрямленного напряжения. В данной схеме момент открывания тиристоров определяется моментом подачи на управляющий электрод импульсов управления Uу. Тогда в моменты времени wt1 и wt2 тиристоры открываются с задержкой по отношению к моментам перехода напряжения через ноль, т. е. в общем случае с фазным сдвигом б = щt, где щ – угловая частота напряжения сети. Угол б – угол управления (отсчитывается от точки естественного отпирания тиристоров, выражается в градусах). Т. к. управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямленного напряжения, б для обоих тиристоров остается постоянным. В интервалах 0 - wt1 и р - wt2 мгновенное значение напряжения  на нагрузке равно 0. Изменение б позволяет регулировать выпрямленное напряжение U0. Его среднее значение для произвольного угла б

  (1)

Для неуправляемого режима  (б = 0)  U00=2E2m/ р  (2).

Если б 0  -  это уравнение характеристики управления вентилем

При б = 0 среднее значение выпрямленного напряжения максимально, а при б = р оно равно нулю. Это следует из формул (1) и (2).

Б) Трехфазный управляемый выпрямитель

       При активной нагрузке и реактивной, равной нулю момент включения тиристоров и длительность их работы определяются углом  управления α, отсчет которого производится от угла естественного включения вентиля π/3, сдвинутого влево от максимума синусоидального напряжения фаз вторичной обмотки трансформатора.

       При работе на активную нагрузку с изменением угла управления можно выделить два характерных режима работы выпрямителя:

непрерывных токов (при 0 ≤ α ≤ π/6); прерывистых токов  (π/6 ≤ α ≤ 5π/6).

Тогда выпрямленное напряжение определяется выражением, если за начало отсчета принимаем точку ноль (0).

Если же токи прерывисты, то  среднее значение выпрямленного напряжения

При α= 5π/6  выпрямленное напряжение равно нулю.

Сглаживающие фильтры

Общие понятия и назначение

       Выпрямленное напряжение всегда имеет пульсирующих характер и содержит кроме постоянной, переменные составляющие. В большинстве случаев это не приемлемо. Допустимый коэффициент пульсации 0,001 – 2,5%. Т. к. это условие не одной схемой выпрямления не выполняется, на выходе выпрямителей устанавливаются сглаживающие фильтры. К ним предъявляются следующие требования:

необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения и не допускать уменьшения постоянной. броски напряжения и тока при включении и выключении должны находиться в допустимых пределах. собственная частота фильтра должна быть меньше частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежании резонанса в звеньях цепи.

Сглаживающий фильтр состоит в основном из катушек индуктивности и конденсаторов, в крайних случаях – резисторы. Основной параметр фильтра – коэффициент сглаживания

,  где

kп вх, kп вых – коэффициенты пульсации напряжения на входе и выходе фильтра.

Простой индуктивный фильтр

Состоит из одного дросселя. Применяется в низковольтных схемах с ионными и полупроводниковыми диодами.

       Если амплитуда переменной составляющей напряжения на входе фильтра Um1, а на выходе Um2, то переменная составляющая тока в данной цепи для гармоники, имеющей частоту mw

,  где

т  - количество периодов гармонических составляющих,

r -  внутреннее сопротивление вентиля и активное сопротивление дросселя.

       Если этим пренебречь, то коэффициент сглаживания  будет определяться по формуле:

       Для получения большого значения необходимо условие >> Rn. В этом случае  .  Тогда  .

Отсюда индуктивность дросселя при заданном значении коэффициента сглаживания можно определить следующим образом

  (Гн)

       Сердечник дросселя должен иметь немагнитный зазор, чтобы постоянные составляющие выпрямленного тока не вызвала насыщения магнитопровода,  приводящего к уменьшению магнитной проницаемости μ  и индуктивности L.

Простой емкостной фильтр

       В данной схеме конденсатор стоит параллельно нагрузке. Постоянная составляющая выпрямленного тока I0 проходит только через нагрузку Rн, переменная  разветвляется и проходит частично через нагрузку Iт1, частично через конденсатор - Iт2. Для хорошего сглаживания нужно, чтобы переменная составляющая выпрямленного тока проходила в основном через конденсатор. Для этого емкость конденсатора выбирают с условием Хс Rн. Так как частота пульсации mw, емкостное сопротивление

Токи в параллельных ветвях С и Rн  обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей, т. е.

Учитывая, что Im1Im2, можно считать, что амплитуда переменной составляющей выпрямленного тока до точки разветвления Im = Im1+Im2≅ I2m.

Выведем коэффициент сглаживания емкостного фильтра

Если емкость выражена в микрофарадах, то  kсг=mwCRn*10-6

       Для расчета емкостного фильтра существует определенный порядок

По выбранной схеме выпрямителя находят U1 По заданному значению U2 находится коэффициент сглаживания 

 

Определяется необходимая емкость конденсаторов и сопротивление нагрузки    (мкФ),  Выбирается тип конденсатора, его номинальная емкость, рабочее напряжение. Рекомендуется  Uраб ≥ 1,5U0 , Uраб – рабочее напряжение на конденсаторе

Г -  образные сглаживающие фильтры

       Необходимое условие для данной схемы

Хс Rn XL 

       Амплитудное значение тока основной гармоники

,  где

Zвх – полное сопротивление нагрузки и фильтра

Zвых – полное сопротивление нагрузки и конденсатора фильтра.

При выполнении обязательного условия

Zвх = j (XL – XC) ,  Zвых= - jXC  ⇒ 

Учитывая, что  XL = wL, Xc = 1/wC

Получаем  kсг= w2LC – 1  или 

П – образные фильтры

       Данные фильтры применяются, если коэффициент сглаживания равен 100 –1000 и более. Большой коэффициент сглаживания П – фильтра по сравнению с Г – фильтром достигается за счет ухудшения параметров выпрямителя (габаритных размеров, массы, стоимости). При сопротивлении нагрузки в несколько КОм применяют СRС – фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) – СLС – фильтры.