Випрямлячі для електронної апаратури

Випрямлячі для електронної апаратури

Випрямлячі для електронної апаратури

1. Основні схеми випрямлячів

.1 Вентиль - основа випрямляча

Принципово необхідним елементом випрямляча - базового функціонального вузла джерела вторинного електроживлення є вентиль. Основна властивість вентиля - низький опір (в ідеальній ситуації - нульовий) в, так званому, прямому напрямі, та великий (в ідеальній ситуації - нескінчений) - у зворотному.

Вентиль - нелінійній елемент із застосування якого можна із різнополярної напруги (струму) сформувати однополярну, тобто змінити спектральній склад напруги (струму) за наявності сталого складника (складника нульової частоти).

Функцію лише випрямлення виконують некеровані вентилі (діоди - вакуумні, напівпровідникові), а якщо й додатково - необхідне регулювання випрямленої напруги тоді застосовують керовані вентилі (тиратрони, тиристори) із відповідними колами комутації.

На рис. 1 наведено вольт-амперні характеристики, умовні позначення та вентилів різних типів

В цій частині підручника розглянуто джерела електроживлення радіоелектронної апаратури з нерегульованими вентилями, тому нижче наведено дані стосовно таких вентилів.

Основні типи нерегульованих вентилів у випрямлячах, які застосовують в сучасних ДВЕЖ - це напівпровідникові кремнієві (допустима густина струму j = 80 А/см²; максимальна температура p-n переходу Т_{пе р}= 140^оС; прямий спад напруги U_пр = 0,7…1В, ширина забороненої зони ∆ = 1еВ, інколи германієві (j = 40 А/см²; Т_пер = 85^оС; U_пр = 0,5В; ∆ = 0,7еВ).

Рисунок 1 - Умовні позначення та вольтамперні характеристики (ВАХ): а - напівпровідниковий діод; б - діод Шотткі; в-тиристор; г - електронно-вакуумний діод; д - тиратрон; е - ВАХ ідеального діода; ж - ВАХ реального напівпровідникового діода; з - електронно-вакуумного діода; і - тиристора

Особливістю діодів з бар’єром Шоттки (Shottki Diode) є низький спад напруги за прямим струмом до 0,5В та висока робоча частота (сотні кілогерц)

Основними експлуатаційними характеристиками вентиля є:

) допустимі значення сили прямого струму, а саме:

- пікове (за умови роботи на ємнісне навантаження);

- середньоквадратичне;

- середнє;

) допустима зворотна напруга ;

) допустима потужність розсіювання (слід зауважити, що потужні вентилі для розсіювання потужності потребують радіатор);

) високий ККД ;

) короткий час відновлення зворотного опору після закінчення інтервалу проходження прямого струму;

) додатковою характеристикою для діодів випрямленої прямокутної напруги (після інвертора) - є плавне поновлення зворотного опору, щоб запобігти формуванню високочастотних завад;

) висока надійність;

) механічна міцність;

) довговічність;

) невелика ціна, тощо.

Для попередніх експрес-інженерних розрахунків достатньо визначити значення сили струму, зворотної напруги, потужності розсіяння (або температури p-n переходу), також доцільно перевірити параметри перевантаження для подальшого вибору засобів захисту.

1.2 Класифiкацiя випрямлячів

За достатньо тривалий термін розвитку засобів електроживлення кількість різновидів випрямлячів є достатньо велика. Узагальнено випрямлячі можна поділити на дві великі групи: виконані за простими схемами та складними.

Для забезпечення електроживленням радіоелектронної апаратури зазвичай застосовують випрямлячі за простими схемами. Стосовно випрямлячів за складними схемами зауважимо лише, що це випрямлячі великої потужності та великої напруги - складені послідовнопаралельно із зрівнювальним реактором, кільцеві, комбіновані, а також регульовані тиристорні випрямлячі, але вони не є предметом вивчення цієї частини книги.

Рисунок. 2. Спрощена класифiкацiя випрямлячів

Класифікацію випрямлячів за простими схемами (рис. 2) наводять за такими основними класифікаційними ознаками.

Електрична мережа: загального користування - однофазна 220В, 50 Гц (Європейська норма - 230В); трифазна - 380В, 50 Гц (Європейська норма - 400В); бортова - 400 Гц, 115В;

Кількість інтервалів протікання струму у однієї фази вторинного кола за один період: однотактні, двотактні.

Особливості топології визначені нижче за текстом.

Прості схеми можуть бути однотактні, двотактні (мостові) та із множенням випрямленої напруги (помножувачі). У помножувачах застосовують послідовне увімкнення декількох однофазних випрямлячів, за спільної обмотки живлення, що дозволяє отримати випрямлену напругу, яка у декілька разів перевищує амплітуду ЕРС вторинній обмотки трансформатора. Найпростішу схему множення напруги називають несиметричною. Ускладнену схему, складену з двох несиметричних - симетричною. Випрямлячі, що складені з несиметричних і симетричних схем, називають комбінованими. За процедурою заряду конденсаторів визначають помножувачі першого та другого роду.

2. Принцип роботи та засади розрахунку випрямлячів з еквівалентом активного навантаження

.1 Однофазний однотактний випрямляч

Схему однофазного однотактного випрямляча з еквівалентом активного навантаження наведено на рисунку 3а, часові діаграми струмів та напруг - на рисунку 3б.

Для з’ясування сутності процесів у випрямлячі, вважатимемо його ідеальним (суцільні лінії), тобто спад напруги на активному опорі обмотки трансформатора й на вентилі за напрямом напруги, а також зворотний струм вентиля i намагнiчувальний струм трансформатора відсутні.

Струм через навантажувальне коло  проходить тільки в інтервали часу, коли позитивний потенціал анода вентиля VD1 відносно загальної точки (шини) вищий, ніж потенціал його катода, тобто діод в проводійному стані (ключ замкнено).

Рисунок. 3 - Однофазний однотактний випрямляч з еквівалентом активного навантаження

Напруга на вторинній обмотці трансформатора u_II (), яка дорівнює nu_I (t), де n_T =  - коефіцієнт трансформації - w_I та w_II - кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно, є синусоїдною за формою i змінює полярність через кожний пiвперiод напруги мережі живлення. Таким чином, у перший півперіод до вентиля підводять пряму напругу i через нього протікає струм , а у другий півперіод - зворотну напругу , тому вентиль розімкнено, тобто .

Зверніть увагу на часову діаграму струму первинної обмотки i_I() її можна сформувати із часової діаграми i_II() відніманням постійного складника I_н.сер, зміненням фази на кут , та множенням на коефіцієнт трансформації n_T = (на рис 3.3б n = 1).

Таким чином у вторинній обмотці є складники нульової частоти та інших гармонік, а у первинної - складника нульової частоти немає (за принципом роботи трансформатора), тобто розрахункові (габаритні) потужності первинної та вторинної обмотки можуть бути різними навіть за умови відсутності втрат.

Важливим параметром, який характеризує випрямляч, є коефіцієнт ефективності випрямляча за потужністю , тобто відношення середнього значення вихідної потужності умовної Р_{н сер.} до середньоквадратичного значення потужності фактичної на виході випрямляча - Р_н (з урахуванням всіх складників):

Обґрунтуємо отримання значення . Відомо, що середнє значення напівперіода синусоїди, та випрямленої синусоїди через амплітудне значення, відповідно:

_сер^(1/2) = , (3.1)_сер = ;    (3.1a)

середньоквадратичне значення:

, (3.2)

. (3.2а)

Таким чином для однофазового однотактного випрямляча (див рис 3.3):

_P = Р_{н сер} / Р_н =(I_{н сер} /I_н)² =(I_m²/I_mπ)²  0,405.            (3.3)

Під час порівняння властивостей випрямлячів, важливим також є коефіцієнт ефективності застосування трансформатора за потужністю. Його визначають стосовно первинної, вторинної обмоток та трансформатора у цілому:

 (3.4)

            (3.4а)

                                     (3.4б)

де - ,  -  - габаритні потужності первинної та вторинної обмотки,  - кiлькiсть фаз у первинної та вторинної сторін трансформатора.

Сутність понять габаритна (розрахункова) потужність обумовлена особливістю роботи трансформатора із нелінійним колом - випрямлячем, який змінює спектральний склад струмів первинної та вторинної сторін, тобто в загальної ситуації маємо в первинній обмотці синусоїдну напругу та несинусоїдний струм сформований безліччю (теоретично) гармонік без постійного складника, у вторинних обмотках - синусоїдну напругу та несинусоїдний струм із постійним складником (для однотактних випрямлячів).

Це є специфічна ситуація характерна для випрямлячів, тому окрім загально відомого для спеціалістів електриків та електроніків, коефіцієнта потужності() для кіл із синусоїдальними напругами та струмами:

,      (3.5)

де P_I - активна потужність,_I - повна потужність,

слід застосовувати коефіцієнти несинусоїдальності відповідно в первинній та вторинній обмотках:

,  (3.6)

,                                     (3.6а)

де I_II I_III - середньоквадратичні значення сили струму першої гармоніки відповідно обмоток первинної та вторинної;_I I_II - середньоквадратичні значення сили струму всіх складників, відповідно - обмоток первинної та вторинної.

Внаслідок спотворення форми струму вводять поняття «потужність спотворень» або «реактивна потужність II роду» - Т на відміну від реактивної потужності Q. Тоді повну потужність S визначають як:

. (3.7)

,                            (3.8)

де ( - коефіцієнт пульсацій,  для однотактних випрямлячів та - для двотактних), - частота напруги мережі.

Коефiцiєнт пульсацій напруги на виході випрямляча, за першою гармонікою:

,                     (3.9)

Якщо форма напруги пульсації несинусоїдальна, наприклад - пилкоподібна - із розмахом  (peak-to-peak); тоді:

, (3.9а)

де  - амплітуда першої гармоніки пульсації вихідної напруги.

Зауважимо, що необхідно також визначити потужність розсіяння на діодах та їх характеристики перенавантаження для вибору відповідного запобіжника.

Слід нагадати, що випрямляч - це нелінійне коло, тобто параметри кола залежать від полярності і значення вхідних величин, спектральний склад вхідних та вихідних величин є різним (принциповим є формування на виході кола складника нульової частоти - сталої напруги та постійного струму).

Нагадаємо, що внаслідок нелінійності випрямляча існують різні значення потужностей:

–       навантажувального кола - фактична (реальна) - з урахуванням всіх складників Р_н;

–             умовна - з урахуванням лише сталих складників (нульової частоти) - середнє значення вихідної потужності Р_{н сер}, та габаритні

–             трансформатора:

–             вторинної обмотки ;

–             первинної обмотки - ;

–             типова (розрахункова) .

Зазвичай  внаслідок сталого складника вихідної напруги (струму).

Доведемо, чому добуток , де  - середньоквадратичні значення відповідно напруги та сили струму визначає типорозмір трансформатора.

Для розрахунку моткових вузлів потрібно: кількість витків обмоток; переріз (діаметр) проводу; типорозмір магнітопроводу.

Значення числа витків обмоток трансформатора визначають за значенням напруг первинної та вторинної (чи кількох вторинних) його обмоток, а також параметрами, що характеризують магнітні властивості й геометрію магнітопроводу.

Значення перерізу проводу обмоток залежить від середньоквадратичних значень сили струму та допустимої густини струму, яка обумовлена класом нагрівостійкості ізоляції та умовами охолодження (природне або штучне).

Типорозмір магнітопроводу вибирають з урахуванням розміщення на його осерді та у вікні необхідної кількості витків проводу. Нагадаємо, що властивості матеріалу та розміри магнітопроводу впливають на кількість витків обмоток трансформатора і дроселя.

У зв'язку з тим, що на розміри магнітопроводу впливають середньоквадратичні значення напруги (визначає кількість витків) і сили струму (визначає переріз проводу), обгрунтуємо поняття розрахункова (габаритна) потужність.

Процес у контурі з індуктивною котушкою, до якої прикладена змінна напруга и та протікає струм i, описує рівняння:

, (3.10)

Де ЕРС котушки і струм в котушці, за законом електромагнітної індукції Фарадея;

. (3.11)

де  - потокозчеплення;

 - магнітний потік який пронизує витки котушки.

Без урахування втрат в котушці та фази, маємо:

, (3.11а)

де - площа перерізу магнітопроводу (осердя котушки);

- коефіцієнт заповнення магнітопроводу активним матеріалом;- магнітна індукція (густина магнітного потоку)

Для розв'язання цього рівняння знаходимо інтеграл у границях півперіоду 0 < t < Т/2, за яких магнітна індукція змінюється в межах від  до :

. (3.12)

Після множення лівої та правої частини рівняння на 1/T, маємо:

, (3.13)

звідки з урахуванням коефіцієнта форми напруги відношення середньоквадратичного значення до середнього  отримаємо:

; (3.14)

Вікно магнітопроводу площею  заповнено проводом, площа перерізу якого , визначаємо кількість витків обмотки, з урахуванням коефіцієнта заповнення вікна активним матеріалом = 0,15…0,4 (для кільцевого магнітопроводу) дорівнює

. (3.15)

Переріз проводу розрахуємо на підставі середньоквадратичного значення сили струму, що характерізує нагрівання проводу, та допустимої густини струму , яку визначають за умов охолодження котушки та класом нагрівостійкості ізоляції (табл. 3.1):

. (3.16)

Тоді з урахуванням (3.13) маємо:

 (3.17)

Цей виведений формально добуток середньоквадратичних значень напруги та сили струму, має одиницю вимірювання повної потужності, пов'язаний з добутком площі перерізу магнітопроводу на площу його вікна, тобто характеризує типорозмір магнітопроводу.

Для трансформатора, з урахуванням того, що вікно магнітопроводу приблизно наполовину заповнено первинною обмоткою (вторинними обмотками), в праву частину формули (3.17) треба ввести множник 0,5 - тоді:

, (3.18)

де вираз в дужках характеризує розрахункові потужності первинної та n-вторинних обмоток трансформатора.

З цього виразу випливає, що зростання частоти напруги за умови однакових значень призводить до зменшення добутку , тобто збільшення частоти напруги веде до зменшення розмірів трансформатора. Практично ця залежність складніша, бо під час вибору магнітопроводу необхідно враховувати втрати, які зі зростанням частоти напруги збільшуються, а це потребує збільшення площі поверхні охолодження трансформатора, що також пов'язано з розмірами його магнітопроводу.

Наведемо алгоритм розрахунку випрямляча:

1. Дано:

1.1 - середнє значення вихідної напруги ;

.2 - сила струму навантажувального кола ;

.3 - середньоквадратичне значення напруги первинної обмотки ;

.4 - частота першої гармоніки випрямленої напруги ;

.5      - кількість фаз у первинній обмотці трансформатора  (після вибору схеми випрямляча - ).

. Визначити:

.1 Дані для вибору вентилів (діодів):

–       середньоквадратичне значення сили струму та фази _;

–       пікове значення сили струму

–       значення зворотної напруга

–       потужність розсіювання.

2.2 Дані для вибору або розрахунку трансформатора:

–       значення напруги вторинної обмотки  (за цією величиною визначимо кількість витків , та );

–       значення сили струму вторинної обмотки  (за цією величиною визначимо переріз проводу вторинної обмотки);

–       значення сили струму первинної обмотки  (за цією величиною визначимо переріз проводу первинної обмотки);

–       значення розрахункової потужності вторинної обмотки ;

–       значення розрахункової потужності первинної обмотки ;

–       значення розрахункової потужність трансформатора

за якої визначимо типорозмір магнітопроводу (3.18):

. (3.18а)

. Стратегія розв’язку задачі:

Для визначення розрахункових коефіцієнтів необхідно з’ясувати співвідношення між заданими величинами () та величинами за значеннями яких можна вибрати діоди (), та вибрати або розрахувати трансформатор (;  або ; або ; ; ). Стратегію розв’язку задачі проілюструємо нижче.

Співвідношення між заданими (середнім) та невідомими (середньоквадратичним) величинами за умови активного характеру навантаження випрямляча можна визначити через спільну величину - амплітуду сили струму або напруги

-     середньоквадратичні значення:

, або (3.19)

, (3.19а)

-     середні значення:

, або                                       (2.20)

.                                  (3.20а)

Таким чином, за порівняннями необхідні співвідношення визначимо за процедурами:   

1.      Розв’язок (на прикладі однофазного однотактного випрямляча):

Напругу на первинній i вторинній обмотках трансформатора запишемо таким чином:

 (3.21)

Для виведення основних розрахункових спiввiдношень необхідно визначити випрямлену напругу (або струм). Використаємо для цього ряд Фур’є:

. (3.22)

Застосуємо (3.22) для часових діаграм однофазного однотактного випрямляча:

.                    (3.23)

Середньоквадратичне (ефективне, дійове) значення сили струму:

 (3.24)

Таким чином:

Після інтегрування відповідно до часових діаграм отримаємо відоме співвідношення:

Як i для виразу , матимемо .

Таким чином:

.

З подальшого ускладнимо випрямляч задля отримання кращих показників.

Таким чином, охарактеризуємо основні розрахункові коефіцієнти:

- між середнім значенням випрямленої напруги та середньоквадратичним вторинної обмотки трансформатора,

;                                                   (3.25)

–       - між середнім значенням сили випрямленого струму та середньоквадратичними вторинної та первинної обмоток,

,                                                (3.26)

,                                      (3.26а)

–       - між значеннями середньої випрямленої напруги та максимальною зворотною на діоді,

,                                        (3.27)

–       - відповідно між значеннями середньої потужності навантажувального кола та габаритними (розрахунковими) потужностями первинної, вторинної обмоток та трансформатора в цілому

,                                           (3.28)

,                                          (3.28а)

.                                (3.28б)

2.     
Відповідь:

Властивості однофазного однотактного випрямляча:      

1)    топологія - ця схема є найпростішою;

2)         ;

3)        

4)         ;

5)        

6)        

7)        

8)        

9)         Існує підмагнічування магнітопроводу трансформатора складником постійного струму.

10)       Застосовують рідко, коли є несуттєвим значення  або з конденсатором за умови високих напруг та дуже малої сили струму.

2.2 Двофазний однотактний випрямляч (однофазний двопiвперiодний, однофазний з відводом від середньої точки вторинної обмотки трансформатора)

Схему двофазного однотактного випрямляча наведено на рис. 4а, часові діаграми - на рис. 4, б.

Принцип роботи випрямляча з'ясуємо за схемою рис. 3.4а та позначенням фази напруги вторинної обмотки. За фазою напруги відповідно до позначень «+», «-» струм протікає через  та , бо  - в стані розімкнення; за фазою позначимо «-», «+» - струм протікає через  та знову  в тому ж напрямі, тобто маємо ефект випрямляння.

Фазні струми  й , є одночасно й струмами через вентилі i₁ й i₂. Струми  й  протікають через навантажувальний опір R_н в однаковому напрямі й, отже, спільно утворюють струм i_н. Це обумовлює співвідношення між середніми значеннями сили струмів:

Прямий спад напруги на вентилях вважаємо . Коли один вентиль замкнено, то інший - розімкнено, тому зворотна напруга на ньому  дорівнює подвійному максимальному значенню фазної ЕРС у вторинній обмотці .

Рисунок 4 - Двофазний однотактний випрямляч: а - схема електрична принципова; б - часові діаграми

Перевага випрямляча за схемою, зображеною на рис. 3.4, полягає в її відносній простоті. Вона складніша однофазної лише тим, що необхідно мати два вентилі й вивід від середньої точки вторинної обмотки трансформатора. Однак у цьому випрямлячі, в порівнянні з однофазним, в 2,5 рази менше значення коефіцієнта пульсацій k_nл і більша частота першої гармоніки випрямленої напруги , що зменшує розміри й вартість згладжувального фільтра. Трансформатор у двофазному випрямлячі за потужністю є більш ефективним, ніж в однофазному. Щоб уникнути вимушеного намагнічування всі обмотки (первинну й обидві вторинні) слід розташовувати на одному осерді магнітопроводу, або, за умови розміщення обмоток на двох осердях - з'єднувати вторинну обмотку зиґзаґом, тобто застосовувати двопульсаційний випрямляч із зиґзаґом.

Двофазний випрямляч, як і однофазний, створює несиметричне навантаження на трифазну мережу й тому його застосовують за потужністю, що не спричинює помітну асиметрію в електричній мережі (для стаціонарних мереж до 1 кВт, для автономних електромереж - менше). Частіше цей випрямляч застосовують у магнітофонах, вимірювальних приладах, а також для заряду акумуляторів, живлення обмоток електромагнітів (кіл фокусування електронно-променевих приладів) і малопотужних двигунів постійного струму, тощо.

Двофазний випрямляч доцільно застосовувати у колах електроживлення в напівпровідникових приладах за умов великих струмів (одиниці, десятки ампер) та малих напруг (одиниці вольт).

Властивості двофазного однотактного випрямляча:

1)    топологія - випрямляч складено з двох попередніх, трансформатор має середню точку;

2)         ;

3)        

4)         ;

5)        

7)        

8)        

9)         підмагнічування магнітопроводу трансформатора відсутнє за умови розміщення обмоток на одному осерді;

10)       переважно застосовують за порівняно малих значень напруги і порівняно великих струмах.

2.3 Однофазний двотактний випрямляч (мостовий, за схемою Греца)

Схему двотактного однофазного випрямляча з трансформатором наведено на рис. 5а. Вторинна обмотка трансформатора підключена до однієї діагоналі моста, у плечах якого розміщено чотири вентилі, а до другої - приєднують навантажувальний опір R_н. Зауважимо, що цей випрямляч може працювати і без трансформатора. На рис. 5б наведено часові діаграми струмів та напруги для випрямляча за схемою Греца.

Рисунок 5 - Однофазний двотактний випрямляч (мостовий, за схемою Греца): а - схема електрична принципова; б - часові діаграми

У перший півперіод ЕРС вторинної обмотки е_II має полярність, показану на рис. 3.5а суцільними позначками «+» та «-». Від позитивного полюса струм протікає через вентиль , потім через навантажувальний опір до негативного полюса через вентиль. На рис. 3.5а цей струм i_1.4 показано суцільними стрілками, а його форма наведена на рис. 3.5б. У другий півперіод струм  (показано на рис. 3.5а знаки напруги «+» та «-», а струм штриховими стрілками), який протікає через вентиль , опір R_н та вентиль .

Струми i_1.4 і i_2.3 у навантажувальному колі утворюють випрямлений струм i_в=i_н. Випрямлена напруга u_в=u_н є такої ж форми, як для однотактного двофазного випрямляча.

Струм у вторинній обмотці трансформатора i_II знаходимо як композицію струмів i_1.4 та i_2.3 оскільки вони протікають в обмотці назустріч один одному. Цей струм не містить постійного складника, має форму синусоїди і тому відсутнє вимушене намагнічування осердя. Струм в первинній обмотці i₁ є також синусоїдним.

Переваги випрямляча за схемою Греца: простота трансформатора, в якому не потрібно виводити середню точку вторинної обмотки та в два рази менша кількість витків її в порівнянні з сумарним числом витків двох фаз вторинної обмотки в двофазному випрямлячі; струм у вторинній обмотці більший, ніж в двофазному, лише в  раз; коефіцієнти використання трансформатора за потужності вище ніж у двофазному випрямлячі зворотна напруга в два рази менша, вимушене підмагнічування магнітопроводу відсутнє, значення та такі ж, як і в двофазному випрямлячі.

Недоліки: чотири вентилі, з періодичністю пульсації на виході m_II = 2; падіння напруги у випрямлячі в два рази більше, ніж в двофазному, оскільки в кожен з півперіодів струм протікає через два вентилі.

Для низьких напруг (одиниці, десятки вольт) випрямляч Греца не застосовують, щоб не знижувати ККД.

Властивості однофазного двотактного випрямляча:

) топологічна - випрямляч вимагає наявності чотирьох дiодiв, проте може застосовуватись й безпосередньо від мережі;

2)      ;

)       

)        ;

)       

6)     

)       

)       

)        підмагнічування магнітопроводу трансформатора відсутнє;

)        широко застосовують для різних значень вихідної потужності (напруги можуть досягати десятки - сотні вольт, а сила струму - одиниці ампер).

.4 Однофазний двотактний випрямляч із подвоєнням напруги (випрямляч за схемою Латура)

Модифікація випрямляча виконаного за схемою Греца дозволяє отримати подвоєну вихідну напругу за однаковим значенням вхідної напруги із заміною двох діодів двома конденсаторами. Такий випрямляч має назву - випрямляч за схемою Латура.

У випрямляч за схемою Латура входять два однакові вентилі  та  та два однакові конденсатори та, які утворюють з однією і тією ж обмоткою трансформатора два однотактні випрямлячі (рис. 3.6а).

Кожен з випрямлячів працює на «свій» конденсатор та, й створює на них випрямлену напругу відповідно  та  (рис. 3.6б). Напруга на виході випрямляча дорівнює сумі цих двох напруг.

Проаналізуємо режим холостого ходу, тобто R_н відсутній. Тоді кожен з конденсаторів  та  заряджений до напруги , й вони не розряджаються - напруга навантажувального кола , за наявності R_н - конденсатори дещо розряджаються. Таким чином, за схемою Латура можна отримати на виході помножену майже у 2 рази випрямлену напругу.

Зарядні струми конденсаторів  і  дорівнюють один одному і протікають через вторинну обмотку в протилежних напрямах, тому в трансформаторі немає вимушеного підмагнічування магнітопроводу (знаки напруги та напрями струмів показано на рис. 3.5 а)

Частота першої гармоніки напруги та дорівнює , та змінні складові цієї напруги мають зсув за фазою на півперіод. Тому під час складання та частота гармоніки випрямленої напруги . Коефіцієнт пульсацій для випрямлячів за схемами Латура, Греца та двофазної, якщо на виході останніх встановлено конденсатор ємністю, приблизно однаковий.

Зворотна напруга, наприклад, на першому вентилі дорівнює сумі напруги , а за однакової вихідної напруги ЕРС у випрямлячі Латура буде майже в два рази менше, ніж в випрямлячі Греца. Тому абсолютне значення для випрямлячів за схемами Латура та Греца приблизно однакова.

Недоліки: застосування двох додаткових конденсаторів С1 і С2; більш крута зовнішня характеристика, ніж у випрямляча за схемою Греца, що обумовлено розрядом конденсаторів із постійним розрядом , тобто такий випрямляч доцільно застосовувати за порівняно великих - тобто низької сили струму навантажувального кола одиниці, десятки міліампер високої напруги десяти, сотні й вище вольт; наступний недолік пов'язаний із проявом явища «відсікання» фазного струму, що спотворює струм мережі живлення та є характерним для всіх випрямлячів, що працюють на навантаження ємнісного характеру, обумовлене «зміщенням» ВАХ діода праворуч.

Рисунок 6 - Однофазний двотактний випрямляч із подвоєнням напруги: а - схема електрична принципова; б - часові діаграми

На рис. 3.7а наведено універсальну схему, яка за  в стані «розімкнено», формує випрямляч Греца (рис. 7б) з послідовно ввімкненими конденсаторами  з резисторами  для вирівнювання спаду напруги на конденсаторах, в стані S1 - «замкнено» випрямляч Латура - рис. 7в.

Рисунок 7 - Випрямляч з універсальним живленням: а - схема електрична принципова; б - за схемою Греца із живленням від мережі 220 В; в, г - за схемою Латура із живленням - 110В (127В) (діоди VD3, VD4 - в стані «розімкнено»)

Властивості однофазного двотактного випрямляча за схемою Латура: топологічна схема - мостова, проте замість двох діодів застосовують два конденсатора, що дозволяє підвищити напругу в навантажувальному колі в два рази; також ці конденсатори виконують функцію згладжування. Випрямляч може працювати безпосередньо від мережі (або мереж 110В / 230В);

)        (якщо  велике);

)        ;

)        ;

)       

5)     

)        _т;

)       

)        підмагнічування магнітопроводу трансформатора відсутнє;

9)      випрямляч застосовують, якщо навантажувальні кола потребують великої напруги за малих струмів. У джерелах з безтрансформаторним входом застосовують комбінацію схем Греца та Латура.

.5 Випрямлячі з помноженням випрямленої напруги більш, ніж у два рази

Випрямлячі з помноженням напруги є несиметричні першого роду (рис. 8а) та другого роду (рис. 8б), та симетричні (рис. 8в). Випрямлячі з множенням напруги можуть бути ефективно застосовані за умов високих напруг і малих струмів, тобто в режимі близькому до холостого ходу, тому далі застосовуємо означення  замість. Їх застосовують в приладах для випробування електричної ізоляції, системах живлення електронно-променевих приладів, індикаторів, телевізійних приймачів, фотоелектронних приладів тощо.

Такі випрямлячі складають з кількох однофазних випрямлячів, кожен з яких навантажено на конденсатор. У коло заряджання конденсатора - окрім обмотки трансформатора - ввімкнено також один (або кілька) конденсаторів попередніх випрямлячів. Таким чином, конденсатори (окрім одного) заряджаються до напруги, більшої від. Вихідну напругу, яка в кілька разів більша від напруги живлення, знімають з одного останнього конденсатора, зарядженого до необхідної напруги (несиметричний випрямляч першого роду, рис. 3.8а), або з кількох послідовно з'єднаних конденсаторів (несиметричний випрямляч другого роду, рис. 3.8б). Об'єднанням двох несиметричних випрямлячів є симетричний випрямляч (рис. 3.8в).

Рисунок 8 - Випрямлячі з помноженням напруги

Принцип роботи несиметричного випрямляча першого роду (рис. 3.8а) (з’ясуємо в режимі холостого ходу): в один з півперіодів, коли «плюс» напруги мережі живлення прикладено до точки а вторинної обмотки трансформатора - відбувається заряджання конденсатора С1 до амплітудного значення ЕРС вторинної обмотки трансформатора через діод VD1. У наступний півперіод позитивним стає потенціал точки б. Узгоджено ввімкнені напруги на обмотці й конденсаторі С1 забезпечують заряджання конденсатора С2 через діод VD2 до, якщо С1 >> С2 (за С1 = С2 напруга на конденсаторі С2 досягає значення 2Е_IIm через кілька півперіодів). Аналогічно в наступний півперіод відбувається заряджання конденсатора СЗ через діод VDЗ до напруги 3Е_IIm. Конденсатор СN заряджається до напруги NE_IIm. Таким чином, збільшена в N разів напруга на вихідному конденсаторі С_N.

Водночас цей випрямляч, як і випрямляч з помноженням напруги, можна трактувати як дільник напруги, який дає змогу здобувати напруги від до .

Несиметричний випрямляч другого роду (рис. 3.8б) за основними властивостями є подібним до випрямляча першого роду. Помножувачі напруги другого роду на практиці зустрічаються частіше, оскільки робоча напруга конденсаторів не перевищує 2Е_IIm.

Випрямлячі з подвоєнням напруги мають круті зовнішні характеристики, тобто можна вважати, що мають значний внутрішній опір. Для формування більш пологих характеристик необхідно застосовувати конденсатори з великим значенням ємності, а у випрямлячах першого роду - додержувати нерівність. Потрібні результати можна отримати, якщо ємність конденсаторів з порядковим номером N задовольняє умові:

.                                           (3.30)

Симетричний випрямляч складено з двох несиметричних, які живляться від однієї обмотки трансформатора (рис. 3.8в)

До переваг симетричних схем випрямлячів належать удвічі більші значення випрямленої напруги та кількості пульсацій напруги m_пл порівняно з несиметричними випрямлячами. Недоліком їх є неможливість заземлення жодного з виводів вторинної обмотки трансформатора, якщо заземлено один із полюсів споживання енергії навантажувального кола.

2.7 Трифазний однотактний випрямляч (за схемою Міткевича)

Для енергозабезпечення навантаження великої потужності (сотні ват, кіловати) застосовують трифазну мережу.

Схему трифазного однотактного випрямляча за схемою Міткевича наведено на рис9, а. Зауважимо, що з’єднання вторинної обмотки має бути лише «зірка» з відводом від середньої точки, первинна може бути як «зірка» (рис. 9, а) так і «трикутник».

Рис. 9 - Трифазний однотактний випрямляч

Часові діаграми сили струму та напруги у випрямлячі за схемою Міткевича наведено на рис. 9б.

ЕРС  змінюється за законом косинуса: цифрами 1, 2 та 3 позначені відповідно фазні ЕРС:

; (3.31)

; (3.32)

. (3.33)

Ці формули записано за умови, що трифазна мережа симетрична. У момент часу  (рис. 3.9б), ЕРС та мають позитивні значення, але у будь-який момент часу працює тільки одна фаза, в якої миттєве значення ЕРС є додатнім та найбільшим. Тому кожна фаза у випрямлячі працює протягом часу відповідного електричного кута:

Струм через неї складає:

, (3.35)

де  - відповідна початкова фаза,

 - опір у відповідної фази з урахуванням навантажувального кола в межах:

. (3.36)

Всі фазні струми протікають через в одному напрямі та утворюють струм i_н в навантажувальному колі, його середнє значення складає (рис. 3.9б).

Обвідна ЕРС е_II є кривою u_н, оскільки вважаємо трансформатор та вентиль без втрат.

Зворотна напруга на вентилі, наприклад на , є на інтервалі , коли замкнені послідовно вентилі , , й дорівнює алгебраїчній сумі миттєвих значень випрямленої напруги и_н та його фазної ЕРС e_II1 (рис. 3.9б).

З рисунку 3.9б, маємо, що максимальне значення зворотної напруги є в точці ω_мt₂ та дорівнює максимальному значенню лінійної напруги:

 (3.37)

Оскільки за один період напруги мережі струм  формують почергово - трифазний випрямляч Міткевича є трипульсаційним - частота першої гармоніки випрямленої напруги. Порівнянням залежностей для випрямляча за схемою Міткевича - маємо, що відношення  більше, а коефіцієнт пульсацій менший, ніж для однофазних випрямлячів. Мале значення та більша частота пульсації випрямляча за схемою Міткевича призводять до економічнішого згладжувального фільтру.

Випрямляч за схемою Міткевича забезпечує симетричне навантаження на трифазну мережу, працює з економічним згладжувальним фільтром та потребує лише трьох вентилів.

Трифазні випрямлячі, в тому числі випрямляч за схемою Міткевича, застосовують за великих потужностей (одиниці - десятки кіловат), але у деяких випадках можливе їх застосування за умови потужностей в сотні ват. Через вплив індуктивності розсіювання трансформатора може виникнути явище перекриття фаз, коли протягом певного інтервалу часу, який називають кутом перекриття фаз, дві фази працюють одночасно. Детальніше явище перекриття фаз на прикладі випрямляча за схемою Міткевича проаналізовано у пункті 3.3.2.

Властивості трифазного однотактного випрямляча:

1) топологічна - випрямляч має три обмотки, обов’язкове з’єднання вторинної обмотки за схемою зірка - повинна бути нульова точка;

2);

) ;

) %;

) ;

) ;

) ; ;

) ; ;

) є примусове підмагнічування магнітопроводу трансформатора;

) застосовують за великих потужностей.

2.7 Трифазний двотактний випрямляч - (трифазний мостовий, за схемою Ларіонова)

Схему трифазного мостового випрямляча за схемою Ларіонова наведено на рис. 3.10а. із з’єднанням вторинної обмотки «трикутником» . Можливі також інші комбінації з’єднань первинної та вторинної обмоток: /; /; /; /.

У випрямлячі за схемою Ларіонова кожна фаза вторинної обмотки «працює», тобто формує струм в навантажувальному колі протягом обох напівперіодів найбільших значень, порівняно з іншим фазами напруги незалежно від полярності.

Задамо інтервал електричних кутів від 0 до ω_ct₁ (рис. 10б), коли значення ЕРС першої фази e_II максимальне та додатне (точка а має знак «+», точка с «-» на рис. 10).

Рисунок 10 - Випрямляч за схемою Ларіонова

Оскільки обмотка сполучена трикутником, то в точках ас буде також лінійна ЕРС, утворена двома фазними ЕРС е_II2 та е_II3. Під дією ЕРС в точках ас буде протікати струм i₄ від точки а через вентиль , опір навантажувального кола R_н та вентиль (струм i₄ = i₃) до точки с. Вважаємо, що опір фазних обмоток та вентилів однаковий, тому розподіл струмів в обмотках згідно із першим законом Кірхгофа є такий:

; (3.38)

На інтервалі електричних кутів від ω_мt₂ до ω_мt₃, який дорівнює , коли ЕРС в точках а та с змінить знаки на зворотні, струм i₃ потече від точки с через вентиль VD6, опір навантажувального кола R_н та вентиль VD1 (струм i_в = i₁) до точки а. Формула (3.38) лишається без змін, але струми у фазних обмотках змінюють напрям на зворотний. Аналогічно «працює» випрямляч, якщо на інших двох фазах будуть максимальні додатні або від’ємні ЕРС. Таким чином, якщо у випрямлячі за схемою Міткевича струм формує найбільша позитивна фаза ЕРС, то струм у випрямлячі за схемою Ларіонова формує найбільша за абсолютного значення фазна ЕРС. Одночасно працюють два вентиля, а останні чотири - розімкнені. Робочі ділянки ЕРС е_II на рисунку 3.10б виділено жирною лінією. Оскільки ці відтінки обвідної ЕРС за чергою (через вентилі) надходять до вихідних затискачів випрямляча, то напруга u_н повністю повторює цю обвідну, але всі значення u_н будуть тільки додатні, тобто випрямлені (рис. 3.10б). Струм через навантажувальне коло повністю відтворює форму u_н, та його миттєві значення в R_н разів менше. За період струм через кожен вентиль проходить двічі на інтервалах  з імпульсів струмів в обмотці, наприклад, для четвертого вентиля:

. (3.39)

Відповідні вирази для струмів через інші вентилі можна отримати за заміни у формулі (3.39) індексів згідно часових діаграмам, наведених на рисунку 3.10б. Фазні струми i_II1, i_II2 та i_II3 складаються за період з шести імпульсів - два з максимальним значенням  та чотири з максимальним значенням , де i_max - максимальне значення струму через вентиль (рис. 10б). Як видно часових діаграм фазних струмів, у вторинній обмотці трансформатора не протікає постійний складник струму, тому в випрямлячі за схемою Ларіонова немає вимушеного намагнічування.

Схема Ларіонова шестипульсаційна (m_пл = 6) та частота першої гармоніки випрямленої напруги f_пл = 6f_пл. За формою кривої u_н = φ(ω_мt) можна сказати, що коефіцієнт пульсацій k_пл менший, ніж в інших випрямлячах, та значення напруг и_{н сер} й ЕРС Е_IIm майже не відрізняються. Тому зворотна напруга на вентилі u_{зв max} мало відрізняється від U_{н сер} й трансформатор добре використано за потужністю (краще, ніж в інших випрямлячах).

Властивості трифазного двотактного випрямляча:

1) топологія схем і 6 вентилів, що можна трактувати як комбінацію однофазних схем Греца;

2) ;

) Гц;

) %;

) ;

) ;

) ; ; ;

) ; ;

) вимушеного намагнічування магнітопровода трансформатора немає;

) випрямляч застосовують за великих потужностей (сотні ват, одиниці, десятки кіловат), але можна застосовувати й за малих потужностей, задля низького значення коефіцієнта пульсації.

На рис. 11 наведено схему трифазного випрямляча із застосуванням з’єднання вторинних обмоток «зіркою» із відводом від середньої точки. Таким чином можна отримати двополярну напругу. Далі з’ясуємо розрахункові співвідношення за наявністю після дроселя реактивних елементів, які можуть бути компонентами згладжувального фільтра або навантажувального кола.

Рисунок 11 - Схема електрична принципова трифазного мостового випрямляча з двополярною вихідною напругою

випрямляч навантаження двофазний напруга

Висновки

1.  Основою всіх випрямлячів є вентиль.

2.      Основною властивістю вентилів є те, що струм проходить лише в одному напрямку.

.        Основні вимоги, які ставлять до вентилів: 1) І_пр.сер, І_пр, І_пр.max; 2) U_зв; 3) U_пр; 4) Р_роз; 5) перевантажувальна здатність; 6) надійність; 7) вартість, тощо.

.        Для отримання заданої вихідної напруги при заданому навантаженні застосовують різні схеми з’єднання випрямлячів. Ці схеми є однофазні, багатофазні, однотактні, двотактні, прості та складні.

.        Для отримання заданих U_н.ном та І_н.ном необхідно знайти значення розрахункових коефіцієнтів за допомогою яких можна розрахувати значення напруг й струмів, які необхідних для вибору типів вентиля і трансформатора.

Список літератури

1. Жеребцов, И.П. Радиотехника; М.: Связь, 2013. - 655 c.

. Жеребцов, И.П. Радиотехника; М.: Связь, 2011. - 655 c.

. Ицхоки, Я.С. Нелинейная радиотехника; М.: Советское радио, 2013. - 508 c.

. Ицхоки, Я.С. Нелинейная радиотехника; М.: Советское радио, 2013. - 508 c.

. ред. Воллернер, Н.Ф. и др. Том 21. Радиотехника; К.: Вища школа, 2006. - 646 c.

. ред. Воллернер, Н.Ф. и др. Том 21. Радиотехника; К.: Вища школа, 2012. - 694 c.