<<
>>

3.1. Выпрямители. Классификация. Основные схемы

Наиболее распространенными источниками вторичного электропитания (ИВЭ) являются источники, которые преобразуют энергию сети переменного тока частотой 50 Гц. Такие ИВЭ включают в себя выпрямитель и стабилизатор [5].

Выпрямители бывают неуправляемыми и управляемыми. С помощью неуправляемых выпрямителей на выходе ИВЭ получают выпрямленное (постоянное) напряжение неизменного значения. Управляемые выпрямители применяют тогда, когда необходимо изменить значение выпрямленного тока или напряжения.

В зависимости от числа фаз первичного источника питания (сети переменного тока) различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. Отметим, что выпрямители малой и средней мощностей, как правило, являются однофазными, а выпрямители большой мощности – трехфазными.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют наоднополупериодные и двухполупериодные. На работу выпрямителей существенное влияние оказывает вид нагрузки. Имеется четыре основных вида нагрузки: активная, активно-индуктивная, активно-емкостная и с противо-ЭДС Выпрямители малой мощности обычно работают на активную и активно-емкостную нагрузку, выпрямители средней и большой мощностей чаще всего питают активно-индуктивную нагрузку.

Нагрузку с противо-ЭДС выпрямитель имеет в том случае, когда он питает двигатель постоянного тока или используется для зарядки аккумуляторов.

Однофазные выпрямители

Структурная схема однофазного выпрямительного устройства изображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема однофазного выпрямительного устройства.

На вход выпрямителя подается переменное напряжение u1, которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения u2. Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений u2, гальванически не связанных друг с другом.

После трансформатора переменное напряжение u2 вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение u01. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении u01помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение u02 на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Cmподдерживает неизменным напряжение uн на нагрузочном устройстве Rн при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления Rн.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутст­вовать. Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях – стабилизатор постоянного напряжения.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных (со средней точкой и мостовой).Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 3.2, а. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диодДи нагрузочный резистор Rн.

Рис. 3.2. Схема однополупериодного выпрямителя.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т. е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота.

Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения.

Следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток i2 имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а, следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямительприменяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электроннолучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10-15 Вт.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основные показатели выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде Uпр при прямом токе Iпр должно быть минимальным. В паспорте на диод указывают среднее значение прямого тока Iпр.ср, которое численно равно среднему значению выпрямленного тока Iн.ср, и среднее значение прямого падения напряжения Unp.cp.

Предельный электрический режим диодов характеризуют следующие параметры:

максимальное обратное напряжение Uобрmах;

максимальный прямой ток Iпрmах, соответствующий Iвыпрmах.

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов fmax. В случаях превышения этой частоты, диоды теряют вентильные свойства.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий Iпр.ср >Iн.ср и Uобр mах > 2U2m примерно с превышением в 30%.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети.

Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям, имеют более высокий КПД. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 1.3). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов (Д1, Д3 и Д2, Д4) работает поочередно.

Диоды Д1, Д3открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u2(интервал времени 0 – Т/2), когда потенциал точки aвыше потенциала точки b. При этом в нагрузочном резисторе Rнпоявляется ток iн.В этом интервале диоды Д2, Д4закрыты.

В следующий полупериод на­пряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 – Т)потенциал точки bвыше потенциала точки а, диоды Д2, Д4 открыты, а диоды Д1, Д3 закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 1.3, ток через нагрузочный резистор Rн имеет одно и то же направление.

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления Rн мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока Iн.ср и напряжения Uн.ср в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Разложив напряжение uнв ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

. (3.1)

Амплитуда основной гармоники частотой 2w равна 2/3Uн.ср. Следовательно, коэффициент пульсаций Кп2=0,67.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т.е. U2m =2U2.Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме. В этих блоках могут быть один (КЦ402) или два электрически не соединенных моста (КЦ403).

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 3.4)можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот же нагрузочный резистор Rн. Действительно, в каждый из полупериодов напряжения uabработает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки о (интервал времени 0 – Т/2), диод Д1 открыт, диод Д2 закрыт, так как потенциал точки bниже потенциала точки о, В этот период времени в нагрузочном резисторе Rнпоявляется ток iн.В следующий полупериод напряжения uab(интервал времени Т/2 – Т) потенциал точки bвыше, а потенциал точки а ниже потенциала точки о. Диод Д2 открыт, а диод Д1 закрыт.

Рис. 3.3. Схема мостового выпрямителя.

Рис. 3.4. Схема выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки и трансформатора.

При этом ток в нагрузочном резисторе Rнимеет то же направление, что и в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U2a и U2bэти токи будут равны.

Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовой выпрямитель, за исключением напряжения Uобр.max, которое определяется напряжением uab. При Uab=2U2и одинаковых значениях сопротивлений нагрузочных резисторов Rн

Uобр.max = pUн.ср=3,14Uн.ср. (3.2)

Все остальные соотношения для токов и напряжений определяются, полученным для мостового выпрямителя, а коэффициент пульсаций Кп2=0,67 [см. (3.1)].

Помимо указанного недостатка в рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора значительно больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрямителях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Отметим, что достоинства этого выпрямителя, присущие мостовому выпрямителю, достигаются при вдвое меньшем количестве диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.

Компьютерный практикум: Однополупериодный выпрямитель

Цель работы:изучение характеристик и измерение параметров однополупериодного выпрямителя.

Выполнение работы: Собрать схему для изучения однополупериодного выпрямителя (рис.3.5). Варианты заданий:

1. VD1, VD2 – 1N4001,

2. VD1, VD2 – 1N4002,

3. VD1, VD2 – 1N4003,

4. VD1, VD2 – 1N4004,

5. VD1, VD2 – 1N4005,

6. VD1, VD2 – 1N4006,

7. VD1, VD2 – 1N4007,

8. VD1, VD2 – 1N5399,

9. VD1, VD2 – 1N5408,

10. VD1, VD2 – BY228,

11. VD1, VD2 – BAS116. Установить значения источника питания V1:

Напряжение (Pk) – U1 макс = 10 В,

Частота (F) – F=50 Гц.

Рис. 3.5. Рабочая схема для исследования однополупериодного выпрямителя.

С помощью характериографа XIV1 получить вольтамперную характеристику (ВАХ) диода и определить сопротивление диода в прямом включении Rпр = Uпр / 2Iпр. Uпр= 1,5…1,6 В.

Рис. 3.6. Пример ВАХ полупроводникового диода 1N4009, полученная с помощью характериографа XIV.

С помощью осциллографа XSC1 определить амплитуду напряжения на выходе трансформатора U2 макс. По показаниям осциллографа XSC2 определить амплитуду напряжения на нагрузке Uвыхмакс и период выходного сигнала. С помощью вольтметра XMM2 определить значениевыпрямленного постоянного напряжения на нагрузке Uвыхпост. Проверить правильность выполнения формулы

Uвых пост = Uвых макс / π

Изменяя напряжение источника V1, в соответствии с табл.3.1, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды первой гармоники UвыхF, второй гармоники Uвых2F, третьей гармоники Uвых3F на выходе однополупериодного выпрямителя. Полученные значения занести в таблицу 3.1. Рассчитать коэффициент пульсаций для первой КпульсF, второй Кпульс2F и третьей гармоник Кпульс3F

КпульсF = UвыхF / Uвыхпост

КпульсF = Uвых2F / Uвыхпост

КпульсF = Uвых3F / Uвыхпост

Полученные значения занести в таблицу 3.1.

Графически отобразить зависимости КпульсF(U2 макс), Кпульс2F(U2 макс), Кпульс3F(U2 макс).

Таблица 3.1

Результаты измерений. Зависимость параметров от входного напряжения

U1 макс, В U2 макс Uвых макс Uвыхпост, В UвыхF Uвых2F Uвых3F КпульсF Кпульс2F Кпульс3F
0,5
1
2
3
4
5
6
8
10
14
18
22
26

Установить напряжение источника V1 равным 10В. Изменяя сопротивление нагрузки R1 в пределах, указанных в табл.3.2, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды первой гармоники UвыхF, второй гармоники Uвых2F, третьей гармоники Uвых3F на выходе однополупериодного выпрямителя. Отобразить графические зависимости Uвых макс(R1), Uвыхпост(R1), КпульсF (R1), Кпульс2F(R1), Кпульс3F(R1). Рассчитать коэффициент преобразования однополупериодного выпрямителя для каждого значения сопротивления нагрузки.

Отобразить графическую зависимость КП от сопротивления нагрузки (R1).

Таблица 3.2

Результаты измерений. Зависимость параметров от сопротивления нагрузки

R1, Ом Uвых макс Uвыхпост, В UвыхF Uвых2F Uвых3F КпульсF Кпульс2F Кпульс3F КП, %
0,4
4
40
400
40к
400к

Компьютерный практикум: Двухполупериодный выпрямитель

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров двухполупериодного выпрямителя.

Выполнение работы: Собрать схему для изучения двухполупериодного выпрямителя (рис. 3.7). Варианты заданий:

1. VD1, VD2 – 1N4001,

2. VD1, VD2 – 1N4002,

3. VD1, VD2 – 1N4003,

4. VD1, VD2 – 1N4004,

5. VD1, VD2 – 1N4005,

6. VD1, VD2 – 1N4006,

7. VD1, VD2 – 1N4007,

8. VD1, VD2 – 1N5399,

9. VD1, VD2 – 1N5408,

10. VD1, VD2 – BY228,

11. VD1, VD2 – BAS116. Установить значения источника питания V1:

Напряжение (Pk) – U1 макс = 10 В,

Частота (F) – F=50 Гц.

Рис. 3.7. Рабочая схема для исследования двухполупериодного выпрямителя.

С помощью осциллографа XSC1 определить амплитуду напряжения на выходе трансформатора U2 макс. По показаниям осциллографа XSC2 определить амплитуду напряжения на нагрузке Uвыхмакс и период выходного сигнала. С помощью вольтметра XMM2 определить значениевыпрямленного постоянного напряжения на нагрузке Uвыхпост. Проверить правильность выполнения формулы

Uвых пост = 2Uвых макс / π Изменяя напряжение источника V1, в соответствии с табл.3.3, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды второй гармоники Uвых2F, четвёртой гармоники Uвых4F, шестой гармоники Uвых6F на выходе двухполупериодного выпрямителя. Полученные значения занести в таблицу 3.3. Рассчитать коэффициент пульсаций для второй Кпульс2F, четвёртой Кпульс4F и шестой гармоник Кпульс6F

Кпульс2F = Uвых2F / Uвыхпост

Кпульс4F = Uвых4F / Uвыхпост

Кпульс6F = Uвых6F / Uвыхпост

Полученные значения занести в таблицу 3.3. Графически отобразить зависимости Кпульс2F(U2 макс), Кпульс4F(U2 макс), Кпульс6F(U2 макс).

Таблица 3.3

Результаты измерений. Зависимость параметров от входного напряжения

U1 макс, В U2 макс Uвых макс Uвыхпост, В Uвых2F, В Uвых4F, В Uвых6F, В Кпульс2F Кпульс4F Кпульс6F
0,5
1
2
3
4
5
6
8
10
14
18
22
26

Установить напряжение источника V1 равным 10В. Изменяя сопротивление нагрузки R1 в пределах, указанных в табл.3.4, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды второй гармоники Uвых2F, четвертой гармоники Uвых4F, шестой гармоники Uвых6F на выходе двухполупериодного выпрямителя. Отобразить графические зависимости Uвых макс(R1), Uвыхпост(R1), Кпульс2F (R1), Кпульс4F(R1), Кпульс6F(R1). Рассчитать коэффициент преобразования двухполупериодного выпрямителя для каждого значения сопротивления нагрузки.

Отобразить графическую зависимость КП от сопротивления нагрузки (R1).

Таблица 3.4

Результаты измерений. Зависимость параметров от сопротивления нагрузки

R1, Ом Uвых макс Uвыхпост, В Uвых2F, В Uвых4F, В Uвых6F, В Кпульс2F Кпульс4F Кпульс6F КП, %
0,4
4
40
400
40к
400к

Компьютерный практикум: Мостовой выпрямитель

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров мостового выпрямителя.

Выполнение работы: Собрать схему для изучения мостового выпрямителя (рис.3.8). Варианты заданий:

1. VD1, VD2 – 1N4001,

2. VD1, VD2 – 1N4002,

3. VD1, VD2 – 1N4003,

4. VD1, VD2 – 1N4004,

5. VD1, VD2 – 1N4005,

6. VD1, VD2 – 1N4006,

7. VD1, VD2 – 1N4007,

8. VD1, VD2 – 1N5399,

9. VD1, VD2 – 1N5408,

10. VD1, VD2 – BY228,

11. VD1, VD2 – BAS116. Установить значения источника питания V1:

Напряжение (Pk) – U1 макс = 10 В,

Частота (F) – F=50 Гц.

Рис. 3.8. Рабочая схема для исследования мостового выпрямителя.

С помощью осциллографа XSC1 определить амплитуду напряжения на выходе трансформатора U2 макс. По показаниям осциллографа XSC2 определить амплитуду напряжения на нагрузке Uвыхмакс и период выходного сигнала. С помощью вольтметра XMM2 определить значениевыпрямленного постоянного напряжения на нагрузке Uвыхпост. Проверить правильность выполнения формулы

Uвых пост = 2Uвых макс / π

Изменяя напряжение источника V1, в соответствии с табл.3.5, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды второй гармоники Uвых2F, четвёртой гармоники Uвых4F, шестой гармоники Uвых6F на выходе мостового выпрямителя. Полученные значения занести в таблицу 3.5. Рассчитать коэффициент пульсаций для второй Кпульс2F, четвёртой Кпульс4F и шестой гармоник Кпульс6F

Кпульс2F = Uвых2F / Uвыхпост

Кпульс4F = Uвых4F / Uвыхпост

Кпульс6F = Uвых6F / Uвыхпост

Полученные значения занести в таблицу 3.5. Графически отобразить зависимости Кпульс2F(U2 макс), Кпульс4F(U2 макс), Кпульс6F(U2 макс).

Таблица 3.5

Результаты измерений. Зависимость параметров от входного напряжения

U1 макс, В U2 макс Uвых макс Uвыхпост, В Uвых2F, В Uвых4F, В Uвых6F, В Кпульс2F Кпульс4F Кпульс6F
0,5
1
2
3
4
5
6
8
10
14
18
22
26

Установить напряжение источника V1 равным 10В. Изменяя сопротивление нагрузки R1 в пределах, указанных в табл.3.6, измерить напряжение Uвых пост, максимальную амплитуду Uвых макс, амплитуды второй гармоники Uвых2F, четвертой гармоники Uвых4F, шестой гармоники Uвых6F на выходе мостового выпрямителя. Отобразить графические зависимости Uвых макс(R1), Uвыхпост(R1), Кпульс2F (R1), Кпульс4F(R1), Кпульс6F(R1). Рассчитать коэффициент преобразования мостового выпрямителя для каждого значения сопротивления нагрузки.

Отобразить графическую зависимость КП от сопротивления нагрузки (R1).

Таблица 3.6

Результаты измерений. Зависимость параметров от сопротивления нагрузки

R1, Ом Uвых макс Uвыхпост, В Uвых2F, В Uвых4F, В Uвых6F, В Кпульс2F Кпульс4F Кпульс6F КП, %
0,4
4
40
400
40к
400к

<< | >>
Источник: Левашов Ю.А., Белоус И.А.. ЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ [Текст]: учебное пособие / Ю.А. Левашов, И.А. Белоус. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС,2016. - 205 с.. 2016

Еще по теме 3.1. Выпрямители. Классификация. Основные схемы:

  1. 2.2.Двухполупериодный выпрямитель
  2. 2.3. Мостовой выпрямитель
  3. 2.4. Однополупериодный выпрямитель с RC фильтром
  4. 2.7. Мостовой выпрямитель с LC фильтром
  5. 2.1.Однополупериодный выпрямитель
  6. 2.5.Двухполупериодный выпрямитель с RC фильтром
  7. 2.6. Мостовой выпрямитель с RC фильтром
  8. Основная и развернутая классификация обязательств.
  9. Основные классификации национальных принципов правосудия.
  10. Основные ошибки, допускаемые при классификации товаров по ТН ВЭД, и их выявление
  11. §3. Основные права и свободы человека и их классификация
  12. 2.1. Понятие, классификация, оценка и задачи учета основных средств
  13. 1.Основные научные подходы к классификации типологии государства и права.
  14. Классификация «группировок» и основных операций мышления.
  15. Классификация «группировок» и основных операций мышления.
  16. Глава 3. Выпрямители и сглаживающие фильтры