Автор работы: Пользователь скрыл имя, 10 Сентября 2014 в 19:35, лекция
Основные схемы выпрямления электрического тока
Одним из главных применений полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение ещё содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.
Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного напряжения и рассеиваемая мощность.
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Одним из главных применений полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение ещё содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.
Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного напряжения и рассеиваемая мощность.
Трансформаторы, работающие в выпрямителях, характеризуются действующими значениями токов и напряжений первичной и вторичной обмоток и номинальной мощностью.
Наиболее распространены три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.
Схема однополупериодного выпрямителя изображена на рис.1, где Т - трансформатор, VD – полупроводниковый диод, а R – нагрузка.
Рис.1
Когда на верхнюю часть вторичной обмотки подан положительный полупериод переменного тока, на диод подаётся прямое напряжение, и он пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через нагрузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис.2).
Однополупериодная схема очень редко используется в современных выпрямителях, поскольку вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода, и поэтому габаритная мощность трансформатора должна превышать мощность выпрямленного тока примерно в три раза. Кроме того, выпрямленное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.
На рис. 3 изображена двухполупериодная схема, где Т – трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD1 и VD2 – полупроводниковые диоды, а R – нагрузка.
Рис.3
Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD1 и VD2 оказываются открытыми в разные половины периода переменного напряжения, и поэтому ток через нагрузку R протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 4).
Среднее действующее напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя в отсутствие нагрузки вдвое больше напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя. Ток протекающий через каждый диод в двухполупериодной схеме в два раза меньше, чем однополупериодной схеме. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже.
Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Её недостатками являются: необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.
Мостовая схема выпрямления изображена на рис. 5 и состоит из трансформатора Т и четырёх диодов VD1 – VD4.
Диагональ АВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD – к нагрузке. Полярность напряжений на вторичной обмотке изменяется каждую половину периода, в результате чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток проходит в течении полупериода А®VD1®C®R® D®VD3®B®A, а в следующий полупериод по пути B®VD2®C®R®D®VD4®A®B.
Таким образом, выпрямленный ток идёт через нагрузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.
В мостовой схеме выпрямленный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой.
Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от её середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по сравнению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки.
Рассмотрим теперь трёхфазные схемы выпрямления. Простейшая трёхфазная схема выпрямления с нейтральной точкой изображена на рис. 6.
Рис. 6
В этой схеме первичные обмотки трёхфазного трансформатора соединяются звездой или треугольником, а вторичные – звездой, причём в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом случае в каждый момент выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединён с зажимом обмотки, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора. Поэтому выпрямленное напряжение будет изменяться по кривой, являющейся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 7). Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжения. В нагрузке R токи, проходящие через три диода, суммируются.
Трёхфазную схему выпрямления с нейтральной точкой применяют только в маломощных силовых установках.
Мостовая трёхфазная схема выпрямления переменного тока изображена на рис. 8. В ней сочетаются принципы мостовой схемы и схемы много фазного выпрямления. В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.
Рис. 8
Шесть диодов образуют две группы – нечётную VD1, VD3, VD5 и чётную VD2, VD4, VD6. У нечётной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у чётной группы – аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вторичных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются. В каждый момент работает тот диод нечётной группы, у которого анод в этот момент имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним и тот диод чётной группы, у которого катод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал. Выпрямленное напряжение будет изменяться по огибающей с двойной частотой пульсаций (рис.9).
Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создаёт фон переменного тока, вызывает искажение сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.
Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Физическая сущность работы в фильтре (рис.10) конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой ёмкости), подключённый параллельно к нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некоторые резервуары энергии. Они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают когда ток стремиться уменьшится ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.
Рассмотрим несколько подробнее ёмкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включён конденсатор С (рис. 11).
При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD1) конденсатор зарядится, а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки.
Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном направлении, конденсатор разряжается через нагрузку. Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RC, а следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядится. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. До того, как конденсатор полностью разрядится, начмнается следующий период синусоиды. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся и выходное тнапряжение фактически повысится.
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение.
Наиболее распространёнными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 13а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие ёмкости С1 и С2, в нагрузку не проходят.
При больших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 13б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 13в), что делается в переносных радиоприёмниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис.13г,д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным, состоящим их нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 13е).
Выходное напряжение выпрямителя может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение выпрямителя, что приводит к уменьшению или увеличению выходного напряжения. Во-вторых, может изменяться сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.
Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определённом напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи. Следовательно, выпрямитель должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для этого после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.
Существуют два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные. Последовательные стабилизаторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Последовательный стабилизатор напряжения также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник питания от короткого замыкания в нагрузке.
На рис. 14 показана простая регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный стабилизатор. Стабилитрон соединён последователь-но с резисторм. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путём замены стабилитрона и последовательно включённого резистора.
На рис. 15 изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор VT1 включён параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.
На рис. 16 изображён простой последовательный стабилизатор. На его вход подаётся нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряжение меньшее по величине. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона минус 0,7 В падения напряжения на переходе база-эмиттер.
В последнее время вместо стабилизаторов на дискретных компонентах всё чаще используют стабилизаторы на интегральных микросхемах, которые дёшевы и просты в применении. Большинство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход, земля) и могут быть подсоединенные непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандартных микросхем, можно использовать микросхему стабилизатора с регулируемым напряжением.