Теоретическая часть. Методические указания к работе

СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Методические указания к работе

Теоретическая часть

Схемы выпрямления относятся к классу нелинейных преобразо­вателей и

делятся на:

-однофазные и многофазные,

-однополупериодные и двухполупериодные,

-управляемые и неуправляемые.

Схемы строятся на основе нелинейных элементов: диодов и тиристоров, вольтамперные характеристики которых показаны на рис.1. и используют их свойства пропускать ток в одном направ­лении и не пропускать его в другом направлении.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики: а) диодов и б) тиристоров.

В схемах неуправляемых выпрямителей используются диоды в схемах управляемых выпрямителей – тиристоры.

Простейшей однополупериодной однофазной схемой неуправляе­мого выпрямителя является схема рис.2 а, представляющая собой диод, работающий на нагрузку. Недостатком ее является неисполь­зование источника сигнала в один из полупериодов входного напря­жения, в связи с чем данная схема применяется очень редко.

Более широкое распространение получили двухполупериодные однофазные схемы (риc. 2 б, в) первая из которых (рис.2 б) представляет собой совокупность двух схем (рис. 2 а), вторая называется мостовой.

Рис.2. Однофазные схемы выпрямления

В мостовой схеме, при положительной полуволне напряжения открыты диоды , , путь тока показан сплошными стрелка­ми, при отрицательной полуволне напряжения открыты диоды , , путь тока показан пунктирными стрелками.

Недостатком рассмотренных однофазныхсхем является большая пульсация напряжения на выходе (от 0 до ).

Уменьшение пульсации напряжения на выходе может быть дос­тигнуто путем использования схем сглаживания или многофазных схем выпрямления.

Многофазных схемы выпрямления (как правило, используются трехфазные схемы) представляют собой сочетание нескольких одно­фазных схем выпрямления, питающихся от разных источников пита­ния и работающих на общую нагрузку.

На рис.3 а показана однополупериодная трехфазная схема, питающаяся от симметричной системы напряжений , , .На сопротивлении нагрузки в каждый момент времени выделяется наибольшее из трех выпрямленных напряжений, в результате чего пульсация напряжения составляет от до 0, 5 .

Рис.3. Трехфазные схемы выпрямления

а) однополупериодная; б) двухполупериодная;

в) с использованием схемы расщепления однофазного напряжения

На рис.3 б показана трехфазная двухполупериодная схема (схема Ларионова). В данной схеме в каждый момент времени откры­та только одна пара диодов, например, , ; , ; , и т. д. и на нагрузке выделяется наибольшее по абсолют­ному значению из трех выходных линейных напряжений , , .

Пульсация напряженияв схеме составляет от до 0, 86 .

Схемы трехфазного выпрямления нашли широкое применение для преобразования однофазного переменного синусоидального сигнала в сигнал одной полярности с малой пульсацией. С этой целью од­нофазный сигнал расщепляется на трехфазный (с помощью схем рас­щепления) и затем подается на трехфазную схему выпрямления (рис.3в).

Рис.4. Принцип действия тиристорного выпрямителя

а) схема выпрямителя; б) временные диаграммы напряжений

Принцип действия простейшего управляемого выпрямителя зак­лючается в следующем (рис.4 а).

При отсутствии управляющего сиг­нала () тиристор закрыт и напряжение на нагрузке равно ну­лю. При подаче на управляющий электрод положительного напряжения и наличии на аноде положительного напряжения тиристор открывает­ся и напряжение полностью прикладывается к нагрузке (паде­ние напряжения на тиристоре незначительно). При изменении знака входного напряжения тиристор закрывается и ток в нагрузке снова становится равным нулю. Подавая в цепь управления импульсы, синх­ронные по частоте с входным напряжением, получим в нагрузке ток, форма и величина которого будет определяться моментом приложения импульсов управляющего напряжения (рис.4 б).

Рис. 5. Управляемый выпрямитель на тиристорах

Управление тиристорами осуществляется попар­но (, , и , ) от специального генератора импульсов (ГИ), синхронизированного по частоте с входным напряжением.

При использовании выпрямителей довольно часто требуется получить выходное напряжение с малой пульсацией. Пульсация ха­рактеризуется коэффициентом пульсации q, определяемым отноше­нием амплитуды переменной составляющей, равной половине разности наибольшего и наименьшего значений напряжения, к постоянной составляющей

Требованию малой пульсации удовлетворяют в выходном напряже­нии трехфазные схемы выпрямления. В случае применения однофаз­ных схем необходимо для уменьшения пульсации напряжения включать на выходе схем выпрямления сглаживающие частотные фильтры, кото­рые строятся на основе реактивных элементов (емкостей и индуктивностей).

На рис.6 приведены схемы наиболее распространенных фильтров. Схемы рис.6 а, в, г используются, еслисхема выпрямителя питается от источника напряжения, схемы рис.6 д, е - от источника тока.

Рис.6. Схема сглаживания

а, б, в, г — при питании от источника напряжения

д, е — при питании от источника тока

При питании от источника тока уменьшение пульсации напря­жения происходят вследствие шунтирования нагрузки сопротивлением фильтра (малым на высоких частотах для схемы рис.6 е).

При питании от источника напряжения в схемах рис.6 а, в, г, эффект фильтрации высших гармоник получается за счет того, что конденсатор С и дроссель L поддерживают течение некоторого промежутка времени ток в нагрузке. Например, в схеме рис.6а, при возрастании напряжения конденсатор быстро заряжается. При уменьшении напряжения (рис.6 б) и достижении некоторого значения, ниже которого выпрямленное напряжение уменьшается быстрее, чем разряжается конденсатор С на сопротивление нагрузки, диоды вып­рямительного моста закрываются и напряжение на нагрузке изменя­ется по кривой разряда емкости С, которая лежит выше кривой вып­рямленного напряжения.

В схеме рис.6 д уменьшение пульсации достигается за счет большого сопротивления фильтра на частоте 100 Гц.

Полупроводниковые стабилизаторы напряжения предназначены для поддержания напряжения на нагрузке неизменным в определенных пределах..

К стабилизаторам предъявляется основное требование, состоя­щее в том, чтобы нестабильность выходного напряжения укладыва­лась в заданные пределы, как при изменениях нагрузочного тока, так и при изменениях питающего напряжения.

Основными параметрами, значения которых нормируется для стабилизаторов напряжения, являются:

1) коэффициент стабилизации - отношение изменения входного (питающего) напряжения к изменению выходного напряжения при постоянной нагрузке (R _Н=const)

(1)

2) выходное сопротивление - отношение изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении (U _ВХ = const).

(2)

Известны стабилизаторы напряжения двух видов: параметричес­кие и компенсационные. В параметрическом стабилизаторе (рис.7) используется стабилитрон, напряжение которого является одновремен­но напряжением нагрузки. У компенсационных стабилизаторов выход­ное напряжение сравнивается с эталонным и при возникновении раз­ности происходит корректирование выходного напряжения (компенса­ция его изменения). В простейших маломощных схемах чаще всего применяются параметрические стабилизаторы. Компенсационные стаби­лизаторы (рис.8)применяют в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к стабильности напряжения и требуется значительная мощность.

Рис.7. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы

параметрического стабилизатора

Рис.8. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения

а) параллельного и б) последовательного типов

1— регулирующий и усилительный элемент

2— сравнивающий элемент 3— опорный элемент

В стабилизаторах параметрического типа стабилитрон применя­ется в сочетании с балластным сопротивлением R _Б , включенным пос­ледовательно в цепь питания (рис.7). Через это сопротивление про­ходит нагрузочный ток I_Н и ток стабилитрона I _СТ.

(3)

так как

, (4)

то при изменении нагрузочного тока стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется благодаря перераспределению тока I_d между нагрузочной цепью и стабилитроном. С ростом тока I_Н ток I_СТ уменьшается и наоборот, при уменьшении I _Н ток I _СТ увеличивается.

Расчет параметрического стабилизатора сводится к определе­нию R_Б при заданных пределах изменения входного напряжения, нап­ряжении стабилизации, выбранном типе стабилитрона:

(5)

Неравенство (5) может быть выполнено, если

(6)

В приведенных формулах:

- ток нагрузки,

, - максимальное и минимальное значение входного напряжения

- напряжение стабилизации стабилитрона,

, - паспортные значения максимального и минимального токов стабилизации стабилитрона.

Из (1), подставляя (3) и (4) и учитывая, что

,

получим

(7)

где

- дифференциальное сопротивление стабилитрона,

- сопротивление стабилитрона постоянному току,

- среднее значение тока стабилизации.

Выходное сопротивление стабилитрона согласно(2) будет оп­ределяться выражением:

(8)

Коэффициент полезного действия параметрического стабилиза­тора определяется по формуле

Малый коэффициент стабилизации и высокое значение выходного соп­ротивления параметрического стабилизатора ограничивают возмож­ности его применения.