Емкостной и R-C-фильтр
Умножители напряжения. Схема Латура
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Мостовая со средней точкой.
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Мостовая.
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Двухполупериодная со средней точкой.
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Однополупериодная
Система обозначений ИМС
К 155 Л А 7
К 226 У Н 4
1 2 3 4
1 – серия ИМС. В одну серию объединяются ИМС, разработанные на основе единых схемо-
технических решений и выполненные по одной технологии. Первая цифра серии - технологи-
ческий признак ИМС:
1, 5, 7, 8 – полупроводниковые ИМС;
2, 4, 6, 8 – гибридные ИМС;
3 – все прочие.
2 – группа ИМС по функциональному назначению:
У – усилители
Г – генераторы
А – формирователи сигналов
Е – вторичные источники питания (ВИП)
Х – многофункциональные схемы
Л – логические схемы
Т – триггеры
И – схемы цифровых устройств
В – схемы вычислительных устройств и микро ЭВМ
Р – элементы памяти
3 – подгруппа, уточняющая функциональный признак. В ней обозначения могут записываться
так: УН, УВ, УН, УТ, УД. УН, например, обозначает «усилитель низкочастотный».
4 – вид ИМС по своим электрическим параметрам (для аналоговых ИМС) или же дальнейшее
уточнение функций (для цифровых ИМС).
К155ЛА3 – 4 элемента 2И-НЕ. КР, КМ – разновидность корпуса, из чего сделан.
Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры
Классификация:
В зависимости от количества полупериодов:
- однополупериодные
- двухполупериодные
В зависимости от количества фаз:
- однофазные
- трехфазные
В зависимости от наличия управления:
- неуправляемые
- управляемые
Путь прохождения тока при положительной полуволне: 1-VD1-Rн-0.
При отрицательной полуволне диод заперт, тока нет.
Включение конденсатора позволяет из пульсирующего тока сделать близкий к постоянному.
Для открытия диода необходимо 0,6В. Конденсатор поддерживает ток, разряжаясь. Ток через диод протекает тогда, когда напряжение на обмотке больше напряжения не конденсаторе. Чем больше С, тем короче будет время протекания тока через диод, а следовательно и амплитуда тока. Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше должен быть ток (импульсный), а также мощность трансформатора.
Достоинства однополупериодной схемы: малое количество силовых диодов, простота схемы, отсутствие сквозных токов.
Недостатки: повышенный уровень пульсации на низкой частоте, сильное подмагничивание сердечника
Применяются в высоковольтных и маломощных схемах (на низкой частоте) и в схемах с бестрансформаторным входом (на частоте 20-100 кГц).
Рассмотрим однофазную двухполупериодную схему выпрямления с нулевой точкой (нулевая схема).
Рассмотрим интервал 0 < ωt < π : диод V1 – открыт; диод V2 – закрыт. Ud=e2 Udm=E2m=
Рассмотрим интервал π < ωt < 2π: диод V1 –закрыт; диод V2 – открыт.
Токи и напряжения имеют одинаковую полярность, но в каждый момент времени изменяют свою величину (ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер).
Напряжение включает в себя как постоянную, так и переменную составляющую.
| U п1max |
| U п1 |
| U п |
| 2π |
| π |
| t |
Период питающего напряжения
Период выпрямленного напряжения
Наибольшую величину в кривой выпрямленного напряжения имеет 1-ая гармоника, частота которой в 2 раза выше частоты питающей сети. Эту
гармонику наиболее трудно подавить фильтрами, поэтому по ее величине судят об искажении выпрямленного напряжения. На рисунке штриховой линией показана первая гармоника пульсации.
Пульсация выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсации.
Коэффициент пульсаций ;
, где m – кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети (число фаз выпрямления или пульсность выпрямителя).
Определим коэффициент пульсации для нашего рассмотренного случая
Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше уровень пульсации, а следовательно выше качество выпрямленного напряжения.
Основными параметрами для выбора диода являются:
1. Прямой средний за период максимальный ток.
2. Обратное напряжение.
- среднее значение тока протекающего через нагрузку.
Так как для тока одна полуволна отсутствует, а для тока нет получаем:
- полная мощность.
Мощность, выделяемая на нагрузке от постоянной составляющей выпрямленного напряжения:
Около 20% всей мощности в нагрузку передается переменной составляющей. Для уменьшения пульсации (устранения переменной составляющей) применяются фильтры.
Расчетная мощность трансформатора: (при активно - индуктивной нагрузке)
Достоинства: пониженная пульсация на низкой частоте, небольшое количество силовых диодов (2) и меньшие потери мощности на них по сравнению с мостовой схемой, перемагничивание сердечника на полной петле Гистерезиса (при условии равенства полуобмоток и одинаковых диодах).
Недостатки: более сложная конструкция трансформатора, подмагничивание трансформатора, больший расход меди трансформатора (по сравнению с мостовой), присутствуют сквозные токи.
Применение: в мощных низковольтных выпрямителях, в источниках питания с бестрансформаторным входом.
Эффект сквозных токов состоит в том, что при отпирании второго диода первый не успевает закрыться из-за диф. Ёмкости, что вызывает кратковременное к.з. трансформатора и может вывести из строя диоды и трансформатор.
Ток проходит через 1 - VD3 – Rн – VD2 – 2 (2 – VD4 - Rн – VD1 - 1).
Достоинства: пониженный уровень пульсации по сравнению с однополупериодной, упрощённая конструкция трансформатора, нормальный расход меди, отсутствие подмагничивания сердечника.
Недостатки: большое число силовых диодов и повышенный расход мощности на них, присутствуют сквозные токи.
Применение: на низкой частоте 50-400 Гц.
Достоинства: пониженный расход меди, отсутствие подмагничивания сердечника.
Недостаток: отсутствие подмагничивания сердечника.
| Мостовая схема может работать и без трансформатора, а схема с нулевой точкой нет |
При положительной полуволне ЭДС (интервал 0- ) и указанной на рисунке полярности выпрямленный ток будет протекать через диод V1, нагрузку и диод V4. Диоды V2 и V3 находятся под обратным напряжением и тока не проводят (плюс приложен к катоду, а минус к аноду).
При изменении полярности переменного напряжения (интервал ) открываются V2 и V3 и ток сохраняет направление.
Если нагрузка активная ( ), то ток повторяет форму напряжения на нагрузке, а и имеют синусоидальную форму (штриховые кривые)
Если , она препятствует изменению тока и не будет успевать следовать за изменением и будет сглаживаться (сплошная линия ).
При значительной индуктивной нагрузке ( > ) ток из-за малых пульсаций можно считать постоянным (идеально сглаженным).
Передача активной мощности в нагрузку переменной составляющей тока отсутствует. Токи , , принимают форму прямоугольных импульсов.
При R-L нагрузке, как и при активной, форма повторяет , а его значение определяется как и для мостовой схемы с активной нагрузкой.
или
Пренебрежем потерями в , диодах и трансформаторе и положим (идеально сглажен)
Ток в диоде ; и
Схема выпрямления однофазного тока. Управляемая.
В мостовой схеме достаточно заменить 2 диода (но не любых) на тиристоры, т.к. диод и тиристор соединены последовательно и тиристор закрыт, то тока не будет.
Достоинства: простота схемы и отсутствие потерь мощности и напряжения.
Недостатки: повышенный уровень сетевых и радио помех, что требует дополнительного экранирования и фильтраций.
Схема выпрямления однофазного тока. Управляемая с волътодобавкой.
Достоинства: пониженный уровень пульсации и помех.
Недостатки: узкий диапазон регулировки.
Схема Латура - схема удвоения напряжения
Прохождение тока: «+» - VD3 – C1 – «-»
Через VD2, VD4 ток не идёт, они закрыты.
До тех пор, пока лампа выключена, сопротивление газоразрядного промежутка велико, схема работает как схема удвоения напряжения Латура, VD2, VD4 закрыты, напряжение на конденсаторах. После возникновения пробоя, сопротивление лампы резко падает, конденсаторы быстро разряжаются, и схема переходит в режим работы мостового выпрямителя.
Схема умножения напряжения позволяет получить выходное напряжение дольше входного в n раз. Заряжается до амплитудного напряжения.
Недостаток всех умножителей: невысокая мощность и низкий КПД.
Трёхфазный выпрямитель напряжения. Однополупериодная
Первый диод открыт в тот момент времени, когда напряжение, создаваемое I обмоткой, больше других.
Достоинства: пониженный уровень, повышенная частота пульсации, нет перекоса фаз.
Недостатки: подмагничивание сердечника.
Трёхфазный выпрямитель напряжения. Двухполупериодная (схема Ларионова).
В схеме в любой момент времени открыто только 2 диода.
Нагрузка в общем случае может быть активно-индуктивной.
Нарисуем эпюры сигналов:
6 диодов на схеме объединены в две группы: есть катодная группа (VD1, VD3,VD5), и анодная группа (VD2, VD4, VD6).
Правило: в катодной группе открыт тот диод, чей потенциал анода более «положителен»;
в анодной группе открыт тот диод, у которого потенциал катода более «отрицателен».
Пусть
VD1 открыт, VD2 закрыт
в анодной группе открыт VD4 (фаза В), так как
фаза В наиболее «отрицательна».
В анодной группе открыт VD6.
Если бы , то смотри рисунок.
Рассмотрим интервал времени t, когда открыт VD1, VD4
Рассмотрим интервал времени t, когда открыт VD1, VD6
Основная гармоника шестая.
Частота выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты сети.
(практически здесь не нужен фильтр на выходе).
чем q<, тем качественнее выпрямленное напряжение.
;
.
Нагрузка на трансформатор во время «+» и «-» полуволн в схеме одинакова.
на интервале (t3;t4)
на интервале (t4;t5)
.
Вместо диодов в схеме могут стоять тиристоры, следовательно, схема управляемого трехфазного выпрямителя (схема Ларионова).
Если угол управления тиристоры диоды и открываются в моменты естественного отпирания.
Моменты естественного отпирания – моменты пересечения синусоид двух соседних фаз.
Если угол управления , то тиристоры в эти моменты еще не открыты, тогда кривая напряжения исказится.
При использовании тиристоров вместо диодов:
,
где - напряжение нагрузки при нулевом угле управления (или при диодах).
Недостатки: большое число диодов, большие потери мощности на них.
Достоинства: ещё большая частота пульсации.
Регулируемый трехфазный выпрямитель.
Нарисуем эпюры сигналов:
При t (t1, t2)
, открыт VD1
При t (t2,t3)
, открыт VD2
.
Коэффициент пульсации:
, т.е. качество выпрямленного напряжения будет хуже, так как q большой.
Найдем среднее значение напряжения нагрузки:
.
При t (t1;t2) VD1 закрыт, VD2 открыт
. Напряжение в два раза больше, чем в мостовой схеме, диод испытывают на пробой.
При В
В
- среднее значение тока через диод, так же, как и в мостовой схеме в три раза меньше, чем в нагрузке.
обмотки фаз трансформатора нагружены неравномерно.
Основной недостаток данной схемы: вторичный ток имеет постоянную составляющую. Постоянная составляющая не трансформируется, следовательно, идет на подмагничивание сердечника, т.е. ток намагничивания увеличивается, увеличиваются потери, это ведет к нагреванию трансформатора. Ввиду этих причин, мы вынуждены увеличить габариты сердечника трансформатора. Поэтому в чистом виде эта схема применяется очень редко, чаще, как составляющая мостовых схем.
Регулируемый трехфазный выпрямитель с вольтодобавкой.
Фильтры выпрямителей.
Назначение: Улучшение качества выпрямленного напряжения, путем ослабления переменной составляющей.
Коэффициент сглаживания: - характеризует (количественно) ослабление переменной составляющей. Чем больше коэффициент сглаживания, тем лучше.
Схема замещения для постоянной составляющей выпрямленного напряжения L и L-C фильтра:
r – активное сопротивление катушки индуктивности.
Схема замещения для переменной составляющей выпрямленного напряжения L и L-C фильтра:
ωn= 2ωсети
- последовательное сопротивление фильтра для переменной составляющей.
- сопротивление параллельных элементов фильтра для переменной составляющей.
Чем больше и меньше , тем меньше U нп1 и больше коэффициент сглаживания S.
Коэффициент сглаживания для L – фильтра:
Примем допущения: r << и <<
Чем меньше тем больше S
Индуктивный фильтр эффективен в «сильноточных» схемах, где
- мало
«Сильноточная» схема – это схема, где протекают большие (сильные) токи.
Коэффициент сглаживания для LС – фильтра:
Емкость шунтирует нагрузку по переменной составляющей.
Условие эффективного шунтирования переменной составляющей:
должно быть < 0.1
- Из чего следует, что LC-фильтры более эффективны.
Емкостные и R-C фильтры используются при нагрузке потребляющей малые токи от выпрямителя ("слаботочная" нагрузка, т.е. нагрузка с малым ("слабым") током).
r - активное сопротивление диодов и обмоток трансформатора
Рассмотрим, что происходит в схеме в разные промежутки времени:
- 0 < t <t1 e2 > ud V1 – открыт, V2 – закрыт. конденсатор заряжается импульсом тока i a1
- t1 < t < t2 e2 < ud конденсатор разряжается на нагрузку ( ). V1 и V2 – закрыты.
- t2 < t < t3 e2 > ud V2 – открыт, V1 – закрыт. конденсатор заряжается импульсом тока i a2
Амплитуда второго импульса будет меньше первого, т.к. на конденсаторе в момент t2 ud > 0
По мере увеличения напряжения ud время заряда конденсатора уменьшается, а время разряда увеличивается.
Через несколько периодов наступает положение, когда ud изменяется возле своего среднего установившегося значения.
т.к. ток i a - прерывистый, с паузами. Возникает необходимость введения дополнительного сопротивления r для токоограничения.
На нём происходит дополнительное падение напряжения и, следовательно, выходное напряжение уменьшается.
Чем больше , тем больше время разряда
При холостом ходе R н = ∞, U dxx = E 2m = √2•E 2
Можно отметить следующие отличия работы выпрямителей с ёмкостной нагрузкой по сравнению с активной нагрузкой: