Схема выпрямления однофазного тока

Выпрямителями называют устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянный или пульсирующий. Выпрямитель состоит из следующих основных элементов:

· силового трансформатора, служащего для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя, а также разделения питающей сети и цепи нагрузки;

· блока диодов или тиристоров, осуществляющих выпрямление переменного тока;

· сглаживающего фильтра, обеспечивающего уменьшение пульсаций выпрямленного тока и напряжения;

· блок управления тиристорами (входит только в комплект управляемых выпрямителей).

В зависимости от числа фаз питающей сети различают однофазные и трехфазные выпрямители.

Однополупериодная однофазная схема выпрямления. В этой схеме (рис. 11.1) напряжение на вторичной обмотке трансформатора u₂ изменяется по синусоидальному закону. Ток во вторичной цепи трансформатора при наличии диода и нагрузки R_Н будет проходить только в течение первого полупериода действия переменного напряжения u₂, когда к диоду приложено прямое напряжение. В течение второго полупериода действия переменного напряжения u₂ тока в цепи нагрузки не будет, т.к. к диоду будет приложено обратное напряжение, и он будет заперт. Следовательно, ток в нагрузке i_н и напряжение на нагрузке i_н будут пульсирующими. Среднее за период значение напряжения на нагрузке U_d называется средним значением выпрямленного напряжения или выпрямленным напряжением. Аналогично, среднее за период значение тока называется выпрямленным током I_d. При однополупериодной схеме выпрямления U_d = 0,45 U₂.

Двухполупериодная однофазная схема выпрямления с нулевым выводом. В этой схеме (рис. 11.2) имеется трансформатор и два диода. Нагрузка R_Н включается между средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора и катодами диодов.

При подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора на двух частях вторичной появляется синусоидальные напряжения u_2a0 и u_2b0.

В первый полупериод ток проходит через диод VD1, т.к. напряжение u_2a0 в это время для этого диода является прямым, а через диод VD2 ток не проходит, т.к. напряжение u_2b0 для этого диода в это время является обратным. Во второй полупериод, наоборот, ток проходит через диод VD2 и не проходит через диод VD1.

При этом ток в нагрузке оба полупериода протекает в одном направлении от катодов диодов к точке 0. Для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 0,9 U₂.

Двухполупериодная однофазная мостовая схема выпрямления. Эта схема (рис. 11.3) состоит из трансформатора и четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. К одной диагонали моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка R_Н. Диоды в схеме работают парами поочередно. В первый полупериод напряжения u₂ ток проводят диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 закрыты, т.к. к ним приложено обратное напряжение. Во второй полупериод изменяется направление напряжения u₂ и ток проводят диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 и VD3 закрыты. При этом ток в нагрузке проходит все время в одном направлении. Графики напряжения и тока нагрузки по форме аналогичны графикам двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой. Поэтому, для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 0,9 U₂.

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Эта схема включает (рис. 11.4) в себя трехфазный трансформатор и шесть диодов. Диоды соединены в две группы: катодную (диоды VD₂, VD₄, VD₆), образующую положительный полюс, и анодную (диоды VD₁, VD₃, VD₅), образующую отрицательный полюс для внешней цепи. В каждый момент работают два диода: один из катодной группы, а другой из анодной. В катодной группе в определенный момент работает тот диод, у которого наибольший потенциал на аноде. В анодной группе в данный момент работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов. Диоды катодной группы открываются в моменты, соответствующие точкам пересечения положительных участков синусоид (а, б, в, г на диаграмме), а диоды анодной группы – в моменты, соответствующие точкам пересечения отрицательных участков синусоид (к, л, м, н). Каждый диод работает в течение 1/3 Т. Положительные полуволны синусоид выпрямляются диодами катодной группы, а отрицательные полуволны – диодами анодной группы. Среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 2,34 U_2Ф, где U_2Ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Управляемые выпрямители. Основой управляемого выпрямителя являются тиристоры, трансформатор и система управления тиристорами. Схемы управляемых выпрямителей повторяют схемы обычных выпрямителей, но основным их преимуществом является возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Для регулирования изменяют момент открывания тиристоров.

Промежуток времени между моментом появления прямого напряжения на тиристоре и моментом подачи отпирающего импульса на его управляющий электрод называется углом регулирования α_р. Изменяя этот угол можно изменять среднюю величину выпрямленного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Конструкция выпрямителей.

2. Принцип работы однополупериодной однофазной схемы выпрямления.

3. Принцип работы двухполупериодной однофазной схемы выпрямления тока с нулевым выводом.

4. Принцип работы двухполупериодной однофазной мостовой схемы выпрямления тока.

5. Принцип работы трехфазной мостовой схемы выпрямления.

6. Понятие об управляемых выпрямителях.

 

Сглаживающие фильтры

 

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно:

- оно создает фон переменного тока, вызывает искажения 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). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i (t) на постоянную и переменную составляющие (рис. 11.5). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Конденсатор (обычно большой ёмкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов спрямленного 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 некие резервуары энергии. Они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.

Рассмотрим несколько подробнее ёмкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен конденсатор С (рис. 11.6).

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD1 конденсатор зарядится (рис. 11.7, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 11.7, б). Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном поправлении, конденсатор разряжается через нагрузку.

Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RС, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. Как только конденсатор начинает разряжаться, напря­жение на нем уменьшается. Однако до того, как конденсатор полностью разрядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся и выходное напряжение фактически повысится.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше постоянная времени НС. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденсатор обеспечивает погрузку током. Если нагрузка потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой ёмкости.

Целью фильтрующего конденсатора является сглаживание пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Качество работы фильтра определяется величиной пульсаций, остающихся в постоянном напряжении. Величину пульсаций уменьшают используя конденсатор большей ёмкости или увеличивая сопротивление нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки определяется при расчете цепи. Следовательно, ёмкость фильтрующего конденсатора определяется допустимой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки и удерживает это значение в течение всего цикла входного напряжения. Когда диод становится смещенным в обратном напряжении, он запирается и максимальное отрицательное напряжение попадает на анод диода. Фильтрующий конденсатор удерживает максимальное положительное напряжение на катоде диода. Следовательно, разность потенциалов на диоде в два раза превышает максимальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выбран диод, выдер­живающий такое напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдержать диод, будучи смещенным в обратном направлении, называется импульсным обратным напряжением диода. Импульсное обратное напряжение диода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное максимальное напряжение вторичной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного напряжения. Это касается как однопол у пери одного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя. К диодам в мостовом выпрямителе никогда не прикладывается напряжение, большее, чем максимальное значение напряжения вторичной обмотки, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода.

Возможность использования диодов с более низкими значениями импульсного обратного напряжения является еще одним преимуществом мостового выпрямителя. Следует отметить, что пиковое значение тока, протекающего через диод, может во много раз превышать ток нагрузки, что опасно для целостности диода. В реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока также закруглен. Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П -образные LС -фильтры (рис. 11.8, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂, в нагрузку не проходят.

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 11.8, б), а при малых токах нагрузки и качество сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 11.8. в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 11.8, г, д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RС фильтров (рис. 11.8, е).

 

Контрольные вопросы

1. Почему непригодно пульсирующее напряжение?

2. Сущность работы сглаживающего фильтра.

3. Принцип работы двухполупериодного выпрямителя, когда параллельно нагрузке включен конденсатор.

4. Дайте определение импульсного обратного напряжения диода.

Тема 12. Усилители

Усилители низкой частоты.

Для увеличения амплитуды напряжения, силы тока, мощности электрических сигналов используют специальные устройства, называемые электронными усилителями. Усилитель осуществляет увеличение энергетических параметров управляющего сигнала за счет использования энергии источника питания. Различного вида усилители применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, устройствах радиотехники и автоматики, радиолокации, телевидении, технике радиоизмерений.

Усилители могут быть классифицированы по различным признакам: назначению, типу усилительных элементов, частотной полосе и т.п.

По типу применяемых усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, комбинированные, усилители на интегральных микросхемах.

По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) выделяют усилители постоянного тока, нижняя граница полосы пропускания которых равна нулю; усилители переменного тока; селективные (узкополосные) усилители, АЧХ которых имеет вид частотной характеристики избирательного полосового фильтра; апериодические (широкополосные, импульсные) усилители, полоса усиления которых соизмерима со значением центральной частоты пропускания.

По спектральному диапазону усиливаемого сигнала выделяют усилители звуковой (низкой) частоты (УЗЧ, УНЧ); усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) радиоприёмных устройств.

Кроме того, возможна классификация усилителей по мощности, режимам работы, выполнению специальных функций.

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным. К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному (пропорциональном усилении мгновенных значений входного сигнала).