Випрямлячі перемінної напруги

Реферат

на тему:

Випрямлячі

Випрямлячі перемінної напруги

Випрямлячі використовуються в блоках харчування радіоелектронних пристроїв для перетворення перемінної напруги в постійне. Схема будь-якого випрямляча містить 3 основних елементи:

· Силовий трансформатор - пристрій для чи зниження підвищення напруги живильної мережі і гальванічної розв'язки мережі з апаратурою.

· Випрямний елемент (вентиль), що має однобічну провідність - для перетворення перемінної напруги в пульсуюче.

· Фільтр - для згладжування пульсуючого напруги.

Випрямлячі можуть бути класифіковані по ряду ознак:

· за схемою випрямлення - однополуперіодні, двухполуперіодні, бруківки, з подвоєнням (множенням) напруги, багатофазні й ін.

· По типі випрямного елемента - лампові(кенотронні), напівпровідникові, газотроні й ін.

· По величині випрямленої напруги - низької напруги і високого.

· По призначенню -для харчування анодних ланцюгів, ланцюгів сіток, що екранують, ланцюгів керуючих сіток, колекторних ланцюгів транзисторів, для зарядки акумуляторів і ін.

Основні характеристики випрямлячів

Основними характеристиками випрямлячів є:

· Номінальна напруга постійного струму - середнє значення випрямленного напруги, задана технічними вимогами. Звичайно вказується напруга до фільтра U0 і напруга після фільтра (чи окремих його ланок - U. Визначається значенням напруги, необхідним для що живлятьсявипрямителем пристроїв.

· Номінальний випрямленний струм I0 - середнє значення випрямленного струму, тобто його постійна складова, заданими технічними вимогами. Визначається результуючим струмом усіх ланцюгів що живляться випрямителем.

· Напруга мережі Uсети - напруга мережі перемінного струму, що харчує випрямлювач. Стандартне значення цієї напруги для побутової мережі -220 вольтів з відхиленнями, що допускаються, не більш 10 %.

· Пульсація - перемінна складова чи напруги струму на виході випрямляча. Це якісний показник випрямляча.

· Частота пульсацій - частота найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча. Для самої простой-однополуперіодної схеми випрямляча частота пульсацій дорівнює частоті живильної мережі. Двухполуперіодні, мостові схеми і схеми подвоєння напруги дають пульсації, частота яких дорівнює подвоєній частоті живильної мережі. Багатофазні схеми випрямлення мають частоту пульсацій, що залежить від схеми випрямляча і числа фаз.

· Коефіцієнт пульсацій - відношення амплітуди найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча до середнього значення чи напруги струму. Розрізняють коефіцієнт пульсацій на вході фільтра (p0 % ) і коефіцієнт пульсацій на виході фільтра (p %). Значення коефіцієнта, що допускаються, пульсацій на виході фільтра визначаються характером навантаження.

· Коефіцієнт фільтрації (коефіцієнт згладжування) - відношення коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра k з = p0 / p. Для багатоланкових фільтрів коефіцієнт фільтрації дорівнює добутку коефіцієнтів фільтрації окремих ланок.

· Коливання (нестабільність) напруги на виході випрямляча -зміна напруги постійного струму щодо номінального. При відсутності стабілізаторів напруги визначаються відхиленнями напруги мережі.

Схеми випрямлячів

Випрямлячі, застосовувані для однофазної побутової мережі виконуються по 4 основним схемам: однополуперіодної, двухполуперіодної з нульовою крапкою(чи просто- двухполуперіодної), двухполуперіодної бруківки(чи просто -бруківки, рідше називається як “схема Греца”), і схема подвоєння(множення) напруги(схема Латура). Для багатофазних промислових мереж застосовуються два різновиди схем: Однополуперіодна багатофазна і схема Ларионова. Найчастіше використовуються трифазні схеми випрямлячів. Основні показники, що характеризують схеми випрямлювачів можуть бути розбиті на 3 групи:

· Стосовні до усьому випрямителю в цілому: U0 -напруга постійного струму до фільтра, I0 - середнє значення випрямленного струму, p0 - коефіцієнт пульсацій на вході фільтра.

· Визначальні вибір випрямного елемента (вентиля): Uобр - зворотна напруга (напруга на випрямному елементі(вентилі) у непровідну частину періоду), Iмакс - максимальний струм минаючий через випрямний елемент (вентиль) у провідну частину періоду.

· Визначальні вибір трансформатора: U2 - діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора, I2 - діюче значення струму у вторинній обмотці трансформатора, Pтр - розрахункова потужність трансформатора.

Основні характеристики різних схем випрямлення

Порівняння схем випрямлення й орієнтований розрахунок випрямляча можна зробити використовуючи дані з таблиці.

* Значення ємності конденсатора розраховане для P0 % = 10 %

Задавши значенням напруги на виході випрямляча U0 і значенням номінального струму в навантаженні(середнього значення випрямленного струму) I 0, можна без праці визначити напруга вторинної обмотки трансформатора, струм у вторинній обмотці, максимально припустимий струм вентилів, зворотна напруга на вентилях, а також робоча напруга конденсатора фільтра. Задавши необхідним коефіцієнтом пульсацій, можна розрахувати значення ємності на виході випрямляча.

Однополуперіодний випрямлювач

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга на вторинній обмотці трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

Як видно на осцилограмах напруга з вторинної обмотки трансформатора проходить через вентиль на навантаження тільки в позитивні напівперіоди перемінної напруги. У негативні напівперіоди вентиль закритий і напруга в навантаження подається тільки з зарядженого в попередній напівперіод конденсатора. При відсутності конденсатора пульсації випрямленного напруги досить значні.

Недоліками такої схеми випрямлення є: Високий рівень пульсації випрямленного напруги, низький КПД, значно більший, ніж в інших схемах, вага трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Дана схема випрямляча застосовується вкрай рідко і тільки в тих випадках, коли випрямлювач використовується для харчування ланцюгів з низьким струмом споживання.

Двухполуперіодний випрямлювач з нульовою крапкою

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга на одній половині вторинної обмотки трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

У цьому випрямлячі використовуються два вентилі, що мають загальне навантаження і дві однакові вторинні обмотки трансформатора(чи одну із середньою крапкою).

Практично схема являє собою два однополуперіодних випрямляча, що мають два різних джерела і загальне навантаження. В одному напівперіоді перемінної напруги струм у навантаження проходить з однієї половини вторинної обмотки через один вентиль, в іншому напівперіоді - з іншої половини обмотки, через інший вентиль.

Перевага: Ця схема випрямляча має в 2 рази менше пульсації в порівнянні з однополуперіодної схемою випрямлення. Ємність конденсатора при однаковому з однополуперіодної схемою коефіцієнті пульсацій може бути в 2 рази менше.

Недоліки: Більш складна конструкція трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Мостова схема випрямляча

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку

U2 - Напруга вторинної обмотки трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

Основна особливість даної схеми - використання однієї обмотки трансформатора при випрямленні обох напівперіодів перемінної напруги.

При випрямленні позитивного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Верхній висновок вторинної обмотки - вентиль V2 - верхній висновок навантаження - навантаження - нижній висновок навантаження - вентиль V3 - нижній висновок вторинної обмотки - обмотка.

При випрямленні негативного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Нижній висновок вторинної обмотки - вентиль V4 - верхній висновок навантаження - навантаження - нижній висновок навантаження - вентиль V1 - верхній висновок вторинної обмотки - обмотка.

Як ми бачимо, в обох випадках напрямок струму через навантаження (виділено курсивом) однаково.

Переваги: У порівнянні з однополуперіодної схемою мостова схема має в 2 рази менший рівень пульсацій, більш високий КПД, більш раціональне використання трансформатора і зменшення його розрахункової потужності. У порівнянні з двухполуперіодної схемою бруківка має більш просту конструкцію трансформатора при такому ж рівні пульсацій. Зворотна напруга вентилів може бути значно нижче, ніж у перших двох схемах.

Недоліки: Збільшення числа вентилів і необхідність шунтування вентилів для вирівнювання зворотної напруги на кожнім з них.

Ця схема випрямляча найбільше часто застосовується у всіляких пристроях. На основі цієї схеми, при наявності середнього висновку з вторинної обмотки трансформатора можна одержати ще два варіанти схем випрямлення:

На лівій схемі відвід від середини вторинної обмотки дозволяє одержати ще одна напруга, менше основного в 2 рази. У такий спосіб основна напруга виходить з мостової схеми випрямлення, додаткове - із двухполуперіодної.

На правій схемі виходить двуполярное напруга амплітудою в 2 рази менше ніж одержуване в основній схемі. Обоє напруги виходять за допомогою двуполуперіодних схем випрямлення.

Схема подвоєння напруги

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга вторинної обмотки трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Відмінною рисою даної схеми є те, що в одному напівперіоді перемінної напруги від вторинної обмотки трансформатора “заряджається” один конденсатор, а в другому напівперіоді від тієї ж обмотки- іншої. Оскільки конденсатори включені послідовно, те результуюче напруга на обох конденсаторах ( на навантаженні) у два рази вище, ніж можна одержати від тієї ж вторинної обмотки в схемі з однополуперіодним випрямлячем.

Переваги: Вторинну обмотку трансформатора можна розраховувати на значно меншу напругу.

Недоліки: Значні струми через вентилі випрямляча, Рівень пульсацій значно вище, ніж у схемах двухполуперіодних випрямлювачів.

Ця ж схема може використовуватися ще в двох варіантах:

Ліва схема призначена для одержання двох напруг харчування однієї полярності, права - для одержання двуполярного напруги з загальною крапкою.

В другому варіанті схеми характеристики випрямляча відповідають характеристикам однополуперіодного випрямляча.

Багатофазні випрямлячі

Багатофазні випрямлячі застосовуються як правило тільки в промисловій і спеціальній апаратурі.

Звичайно в промисловій апаратурі застосовуються трифазні випрямлячі двох типів - трифазний випрямлювач і випрямлювач Ларионова.

Трифазний випрямлювач.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

ФА, ФС, ФВ - напруги на вторинних обмотках трифазного трансформатора.

U va Uvb Uvc напруга на навантаженні одержуване з відповідного вентиля.

Uн - Сумарна напруга на навантаженні.

Випрямлювач являє собою однополуперіодний випрямлювач для кожної з трьох фазних вторинних обмоток. Усі три вентилі мають загальне навантаження.

Якщо розглянути осцилограми напруги на навантаженні при відключеному конденсаторі для кожної з трьох фаз, то можна помітити, що напруга на навантаженні має такий же рівень пульсацій як і в схемі однополуперіодного випрямлення. Зрушення фаз(тобто зрушення за часом) напруг випрямлювачів між собою в результаті дасть у 3 рази менший рівень пульсацій, чим в однофазної однополуперіодної схемі випрямлення.

Достоїнства: Низький рівень пульсацій випрямленного напруги.

Недоліки: Так само як і в однофазної однополуперіодної схемі випрямлення низький КПД, нераціональне використання трансформатора. Даний випрямлювач незастосуємо для звичайної однофазної мережі.

Схема Ларионова.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

Цей випрямлювач являє собою бруківки випрямлячі для кожної пари трифазних обмоток, що працюють на загальне навантаження. З'єднуючи в собі достоїнства мостового випрямляча і трифазного харчування, він має настільки низький рівень пульсацій, що дозволяє працювати майже без конденсатора, що згладжує, чи з невеликою його ємністю.

Недоліки: Збільшена кількість вентилів. Випрямлювач також не може бути застосований для роботи в однофазній побутовій мережі.

Випрямлячі для безтрансформаторного харчування апаратури.

Безтрансформаторні випрямлячі є найпростішими неавтономними джерелами постійного струму. Вони застосовуються при напругах близьких до напруги чи мережі перевищуючих його в 1,5 - 2,5 рази і струмах до декількох десятків міліамперів.

Обмежене застосування безтрансформаторних випрямлювачів порозумівається в першу чергу вимогами техніки безпеки, тому що обоє полюса випрямленного напруги гальванически зв'язані з мережею. Другий недолік таких випрямлювачів - відсутність гнучкості при виборі випрямленного напруги. Для радіоапаратури можна використовувати в якості безтрансформаторних випрямлячі: Однополуперіодний, бруківки, подвоєння напруги. Основні характеристики такі ж як і у випадку з трансформаторним харчуванням. Сіткову напругу підключають до точок підключення вторинних обмоток трансформаторів(замість трансформатора).

Безтрансформаторні схеми небезпечні для використання!

Для харчування малогабаритної портативної апаратури зі струмами до 15-20 міліамперів можна застосовувати однополуперіодні чи бруківки схеми з конденсаторами, що гасять.

У цій схемі конденсатор Сгас виконує роль “безватного” реактивного опору, що утворить з активним опором навантаження своєрідний дільник напруги.

Реактивний опір конденсатора, що гасить, зазначено у формулі.

Дана схема може знайти застосування для заряду малогабаритних акумуляторів радіоприймачів, радиостанций і радіотелефонів.

При конструюванні й експлуатації випрямляча також необхідно дотримувати обережність!

Деякі рекомендації з роботи з випрямлячами

Вторинні обмотки трансформаторів необхідно завжди захищати плавкими запобіжниками. У цьому випадку коротке замикання в ланцюзі навантаження не приведе до таких наслідків як вихід з ладу трансформатора і тим більше не приведе до загоряння апаратури.

Часто при конструюванні випрямлювачів виявляється, що немає потрібних вентилів(діодів) чи конденсаторов.з потрібними характеристиками. У такому випадку можна застосувати рівнобіжне чи послідовне з'єднання чи вентилів конденсаторів.

Що при цьому потрібно пам'ятати?

Якщо наявні вентилі (діоди) по припустимому струмі менше розрахункового максимального струму, можна застосувати рівнобіжне з'єднання таких діодів, помноживши їхній припустимий струм на кількість діодів у “зв'язуванні”.

У випадку, якщо припустима зворотна напруга вентилів (діодів) менше розрахованого значення, можна застосувати їхнє послідовне з'єднання, уключивши паралельно кожному діоду шунтирующие резистори, що вирівняють зворотна напруга між діодами. Величину опору шунта розраховують по формулі:

Rш = 700 * Uобр / N для діодів з Uобр менше 200 В и Імакс = 1 - 10 Ампер

Чи

Rш = 150 * Uобр / N для діодів з Uобр більш 200 В и Iмакс менш 0,3 Ампер

У випадку якщо ємність конденсатора менше розрахункової, можна застосувати рівнобіжне включення декількох конденсаторів, що мають робочу напругу не менше розрахункового.

У випадку, якщо робоча напруга конденсаторів менше припустимого для конкретної схеми, можна застосувати послідовне включення конденсаторів, не забуваючи, що загальна ємність у цьому випадку зменшиться в стільки разів, скільки конденсаторів буде включено в послідовний ланцюг.

Таку схему застосовувати можна тільки в крайньому випадку, оскільки в такій схемі пробій(коротке замикання) одного конденсатора викликає “ланцюгову реакцію”, тому що на, що залишилися в роботі конденсатори буде прикладене більша напруга, чим було до замикання одного з них. Шунтування конденсаторів резисторами в цьому випадку не рятує апаратуру від послідовного виходу з ладу конденсаторів у всьому ланцюжку. Краще застосувати послідовне з'єднання декількох випрямлювачів, розрахованих на більш низьку напругу. Тоді при пробої одного з конденсаторів вихідна напруга проста знизиться.

У цій статті приведена тільки коротка інформація зі схем випрямлювачів. Більш докладно про розрахунок випрямлювачів можна прочитати у всілякій літературі.

Використана література

В.Я. Брускин “Номограми для радіоаматорів” МРБ 1972 рік.

Б. Богданович, Е. Ваксер “Короткий радіотехнічний довідник” Бєларус 1968 рік.