Структурная схема выпрямителя

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

.1 Типичные схемы выпрямителей, их характеристики и принцип работы

1.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

.1.2 Однофазный двухполупериодный выпрямитель

.1.3 Мостовая схема выпрямителя

.2 Основные параметры и характеристики выпрямительных устройств

1.3 Сглаживающие фильтры

.3.1 Выпрямительные устройства с простым емкостным фильтром на выходе

.3.2 Выпрямительные устройства, работающие на фильтры, содержащие индуктивность

.3.2.1 Простой сглаживающий L-фильтр

.3.2.2 Г- образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

.3.2.3 П - образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

.3.3 Теоретическое обобщение по выпрямителям, работающим на фильтры, содержащие индуктивность

.4 Стабилизаторы напряжения

. Расчёт однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой

Заключение

Список использованной литературы

выпрямитель напряжение фильтр мостовой

Введение

Для многих современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, термоэлектогенераторы и выпрямители. Наиболее распространенным источником постоянного тока является выпрямитель. Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. По сравнению с другими источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке:

Трансформатор 1 предназначен для изменения питающего напряжения сети с целью получения заданной величины выпрямленного напряжения на нагрузке 4. С помощью выпрямителя 2 осуществляют преобразование переменного напряжения в пульсирующее. Фильтр 3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведенной структурной схемы, за исключением основного элемента - выпрямителя. Например, выпрямитель может быть включен в сеть без трансформатора или работа выпрямителя на нагрузку осуществляется без фильтра. С другой стороны, очень часто в состав выпрямителя входит стабилизатор напряжения или тока (схема, которая отслеживает все изменения напряжения или тока со стороны входа и выхода и поддерживает постоянным напряжение или ток на нагрузке), который можно включать на выходе (по постоянному току) или на входе (по переменному току). Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными, но существует соответственно и ещё один класс - многофазных выпрямителей (с нулевым выводом, мостовые - схема Ларионова). Однофазные же выпрямители делятся в свою очередь на:

а) однополупериодные, в которых ток через вентиль (прибор, имеющий несимметричную характеристику проводимости, малое сопротивление для прямого тока и большое сопротивление для обратного. С помощью которого переменное напряжение преобразуется в пульсирующее) проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети;

б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов;

в) схемы с умножением напряжения.

Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения.

1. Обзор литературы

.1 Типичные схемы выпрямителей, их характеристики и принцип работы

1.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

В данной схеме используется полупроводниковый диод VD, обладающий нелинейной вольтамперной характеристикой (чаще всего кремниевый). Под действием синусоидального напряжения генератора в цепи нелинейного элемента возникает ток, приобретающий форму последовательности импульсов, т.к. ток в цепи диода существует только в течение положительных полуволн входного напряжения (из-за односторонней проводимости диода).

Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя показана ниже:

Полученную последовательность импульсов тока, как и любой периодический несинусоидальный сигнал можно представить в виде постоянно составляющей I0 и периодических (гармонических) составляющих с частотами, кратными частоте приложенного напряжения U. C помощью разложения периодической функции в ряд Фурье, получаем:

где I0 - постоянная составляющая тока, I1m-амплитуда 1-й гармоники тока, I2m,,Inm-амплитуды токов высших гармоник.

Разложение несинусоидального сигнала показано на рисунке, где

Разложение несинусоидального сигнала.

- постоянная составляющая; 1- 1-я гармоника тока; 2,3- высшие гармоники тока.

Амплитуды высших гармоник, как правило, уменьшаются с ростом их номера. Для представления периодической последовательности импульсов можно наряду с временной диаграммой использовать и спектральную, которая позволяет наглядно сравнивать значения постоянной составляющей и амплитуд с частотой первой и высших гармоник.

На рисунке, приведённом ниже, показаны спектры входного напряжения и тока, протекающего через диод. Среднее за период значение выпрямленного тока, т.е. постоянная составляющая I0 определяется соотношением:

где Ri-внутреннее сопротивление генератора; Rн - сопротивление нагрузки; Im-амплитуда импульса тока.

Поэтому постоянное напряжение U0 на нагрузке Rн определяется выражением:

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций Кп; где U1m - амплитуда первой гармоники напряжений; U0 -постоянная составляющая напряжений. Т.к. для однополупериодной схемы амплитуда 1-й гармоники имеет значительную величину . Выпрямленное напряжение с такими значительными пульсациями, как правило, не пригодно для практических целей. Для уменьшения коэффициента пульсации используется двухполупериодные схемы выпрямителей.

1.1.2 Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Подобный выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого состоит из 2-х частей и 2-х полупроводниковых диодов.

Наличие средней точки трансформатора приводит к тому, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки w1 и w2 будет приложено к каждому из диодов VD1 и VD2. В течение положительного, для половины обмотки w1, полупериода диод VD1 открывается и возникает ток в цепи этого диода, протекающий через нагрузку. В течение отрицательного полупериода диод VD1 закрыт, и открывается диод VD2. В этом случае также возникает импульс тока через нагрузку. Таким образом, в цепи нагрузки ток протекает в течение обоих половин полупериода. Вследствие этого частота пульсаций тока в цепи нагрузки становится вдвое больше, чем частота синусоидального напряжения, приложенного к выпрямителю. Полученную последовательность импульсов можно представить в виде суммы постоянной составляющей I0 и суммы переменных составляющих с частотами, кратными удвоенному значению частоты выпрямленного напряжения:

Постоянная составляющая тока нагрузки I0 вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении:

а постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 равна:

Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно меньше, чем в однополупериодной (Кп=0,67).

Недостатком подобной схемы выпрямителя является увеличенное число витков вторичной обмотки.

1.1.3 Мостовая схема выпрямителя

В течение положительной полуволны входного напряжения открываются диоды VD1 и VD3, и в цепи нагрузки возникает импульс тока. Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD2 и VD4, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики, аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме. В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему.

1.2 Основные параметры и характеристики выпрямительных устройств

. Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2.

. Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2мах.

. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U0.

. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке I0.

. Действующее значение напряжения пульсаций на нагрузке Uп.

. Максимальные изменения напряжения на нагрузке DUвых.

. Коэффициент пульсаций Кп (характеризует степень приближения кривой выпрямленного напряжения к прямой линии).

. Коэффициент сглаживания Кс (это параметр фильтра).

. Коэффициент полезного действия выпрямителя h.

10. Амплитудное значение тока через диод.

11. Обратное напряжение на диоде - наибольшая разность потенциалов, приложенная к диоду в тот момент времени, когда он не пропускает тока.

1.3 Сглаживающие фильтры

При работе схем выпрямителей выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие. Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает пределы допустимых значений, на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания. Коэффициентом сглаживания g называют отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра: g= Кп вх/Кп вых. Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивны катушки (дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

1.3.1 Выпрямительные устройства с простым емкостным фильтром на выходе

Назначение конденсатора на выходе выпрямителя - сглаживать пульсацию в выпрямленном напряжении. При подключении конденсатора фильтра характер нагрузки становится емкостным.

Наличие конденсатора в схеме выпрямителя существенно меняет режим работы полупроводниковых диодов: напряжение на конденсаторе в определенный момент времени делает потенциал катода диода больше потенциала анода и диоды запираются (моменты времени t2 и t4). С момента времени с t2 по t3 диоды заперты и находятся под обратным напряжением, а с t1 по t2 и с t3 по t4 диоды открыты. При наличии С-фильтра диод переходит в режим прерывистого тока, следовательно, режим диода в прямом направлении становится более напряженным, особенно в момент включения, когда конденсатор еще не заряжен: за короткий промежуток времени (с t3 по t4) ток через диод должен успеть достичь максимального значения и уменьшиться до нуля. Емкость конденсатора фильтра выбирается из условия, чтобы ее сопротивление по переменной составляющей тока было значительно меньше сопротивления нагрузки (хотя бы в 5-10 раз).

Заряд, который получает конденсатор за время t1 - t2, t3 - t4,

На рисунке ДВП с простым С-фильторм:

а - схема ДПВ,

б - временная диаграмма напряжения на нагрузке Uн = f(t).

Заряд, который получает конденсатор за время t1 - t2, t3 - t4,

Заряд, который конденсатор теряет за время t2 - t3, t4.,.

Отрезок времени, на котором происходит разряд конденсатора, оказывается близким к половине периода входного напряжения выпрямителя.

По условию стационарности процесса заряда и разряда (= ):

=

Откуда

где tр = RнС - постоянная времени разряда конденсатора фильтра.

Постоянная составляющая выходного напряжения легко может быть определена из временной диаграммы выходного напряжения (рисунке -б):

Окончательно среднее значение выпрямленного напряжения

В рассматриваемой схеме действующее значение выходного напряжения

Определяется действующее значение напряжения пульсаций на выходе простого емкостного фильтра:

Коэффициента пульсаций на выходе фильтра:

.3.2 Выпрямительные устройства, работающие на фильтры, содержащие индуктивность

a)Простой сглаживающий L-фильтр:

Сглаживающий фильтр с индуктивностью может быть простым, то есть состоящим только из индуктивности. Его фильтрующие свойства основываются на способности индуктивности препятствовать любому изменению тока, проходящего через нее. При возрастании тока в индуктивности происходит накопление магнитной энергии, а когда ток уменьшается, энергия, накопленная в индуктивности, поддерживает этот ток, так как ЭДС на дросселе меняет свой знак. Простые индуктивные фильтры рекомендуется использовать только в двухполупериодных и многофазных схемах выпрямителей, так как в них, в отличие от однополупериодных выпрямителей, не возникает таких резких изменений токов, а следовательно, не образуется таких больших ЭДС самоиндукции.

При анализе фильтра в таком источнике питания рассматривается делитель из L и Rн, на который подается напряжение с выхода мостовой схемы выпрямителя. Общее сопротивление делителя:

где - сопротивление нагрузки, Ом.

1.3.2.1 Простой индуктивный фильтр

Напряжение на входе фильтра можно представить с помощью ряда Фурье:

где - среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая напряжения на входе фильтра Uо); - первая гармоника в выпрямленном напряжении, имеющая частоту, равную удвоенной частоте сети. Это напряжение содержит постоянную и ряд гармонических составляющих, но, в отличие от однополупериодного выпрямителя, здесь первой гармоникой будет гармоника с удвоенной частотой сети. В рассматриваемой схеме всеми гармониками после первой можно пренебречь, так как амплитуда второй гармоники составляет всего 20 % от первой, а амплитуда третьей - 8,6 %. Следовательно, можно принять, что на входе фильтра действует напряжение, которое содержит лишь две составляющие:

Амплитуда переменного напряжения на входе простого индуктивного фильтра:

.

Амплитуда переменного напряжения на нагрузке (на выходе простого индуктивного фильтра) определяется по закону Ома:

Действующее значение напряжения пульсаций на нагрузке (на выходе простого индуктивного фильтра):

Коэффициент сглаживания простого индуктивного фильтра:

Среднее значение выпрямленного напряжения (потерями постоянного напряжения на сопротивлении дросселя можно пренебречь):

Среднее значение выпрямленного напряжения получилось гораздо меньше, чем при емкостном фильтре, и чтобы получить при этом необходимое напряжение на нагрузке, приходится увеличивать напряжение на вторичной обмотке трансформатора, что приведет к увеличению обратного напряжения на диодах и к увеличению габаритов блока питания в целом, поэтому выходное напряжение рекомендуется увеличивать введением в индуктивный фильтр конденсатора. Такой фильтр называют Г- образным индуктивно-емкостным LC-фильтром.

.3.2.2 Г- образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Сопротивление дросселя для переменных составляющих тока соединяется с нагрузкой последовательно, а конденсатор параллельно, и если выполняется условие Хс << Rн << ХL, то напряжение пульсаций на нагрузке будет малым.

Г- образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Амплитуда основной гармоники переменного тока через дроссель:

.

Амплитуда переменного напряжения на выходе фильтра:

Коэффициент сглаживания фильтра, равный отношению коэффициента пульсации на входе к коэффициенту пульсаций на выходе:

При совместной работе индуктивности и емкости в схеме фильтра проявляются свойства контура, в результате чего в схеме может возникнуть колебательный процесс. Чтобы избежать этого, необходимо обеспечить равенство амплитуды переменной составляющей тока Imax и постоянной составляющей I0, поэтому введено понятие критической индуктивности, значение которой определяется из следующих соображений.

Так как

а с учетом того, что ХL >> XC, амплитудное значение тока:

то условием для определения критического значения индуктивности дросселя будет:

из которого следует:

Примечание: С достаточной для практики точностью при питании выпрямителя от сети с частотой 50 Гц значение критической индуктивности дросселя можно принять равной:

Для лучшего сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя применяют П - образные LC-фильтры.

.3.2.3 П - образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Такой фильтр можно рассматривать как два фильтра:

. Простой емкостный фильтр, состоящий из конденсатора С1.

. Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (из дросселя L и конденсатора С2).

П - образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Действующее значение напряжения пульсаций на выходе П-образного фильтра:

,

где - действующее значение напряжения пульсаций на входе фильтра П-образного индуктивно-емкостного фильтра.

В источниках малой мощности для уменьшения размеров и массы фильтра вместо дросселя применяют резистор. Резистивно-емкостные фильтры рассчитывают и строят по тем же схемам, что и индуктивно-емкостные (Г- и П-образные фильтры), но необходимо принять к сведению, что на RC-фильтрах происходит значительное падение постоянного напряжения (до 20 %).

1.3.3 Теоретическое обобщение по выпрямителям, работающим на фильтры, содержащие индуктивность

Г- и П-образные сглаживающие LC-фильтры позволяют получить пульсации выходного напряжения гораздо меньшие, чем при простых индуктивных или простых емкостных фильтрах. Если требования к сглаживанию пульсации окажутся еще выше, то рекомендуется использование многозвенных фильтров, пример схемы которых приведён ниже, на рисунке.

Каскадное включение LC-фильтров

Коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

1.4 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором постоянного напряжения называется устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные. Параметрическими стабилизаторами напряжения называются устройства с нелинейными элементами (кремниевый стабилитрон), параметры которых с изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке остается почти неизменным по величине. Преимущества параметрических стабилизаторов постоянного напряжения - простота схемы; недостатки - низкий КПД, невозможность регулирования выходного напряжения, небольшой коэффициент стабилизации и возможность работы только при малых токах нагрузки. Более высокими техническими показателями обладают стабилизаторы компенсационного типа, работа которых основана на сравнении фактического значения выходного напряжения с заданным. Основными параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации и выходное сопротивление. Коэффициентом стабилизации называют отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянном сопротивлении нагрузки:

dUвх, dUвых - изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора; Uвх, Uвых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора.

Этот параметр служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора. Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении:

Желательно, чтобы Rвых было небольшой величины. Одна из возможных схем компенсационного стабилизатора напряжения.

2. Расчёт однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой

Исходные данные:

1.Выпрямитель однофазный однополупериодный (рис. 1).

2.На вход первичной обмотки трансформатора подводиться напряжение промышленной сети частотой 50 Гц и напряжение Uc.

3.Среднее значение выпрямленного тока I0 = 50 mA, сопротивление нагрузки Rн = 20 кОм.

4.Действующее значение напряжения на зажимах первичной обмотки U1 = 220 B.

Определить: токи и напряжения во вторичной обмотке.

Порядок расчёта:

1.На рис. 2 представлены графики переменного напряжения U2 действующего на зажимах вторичной обмотки трансформатора, пульсирующего тока I2, которое изменяется от нуля до максимального значения I2m и постоянная составляющая выпрямленного тока I0. Предполагается, что ток i2 изменяется по синусоидальному закону:

Примечание: Вначале не рассматривается сглаживающее влияние ёмкости С.

Рассчитаем T и w, выходя из заданной частоты f (f = 50 Гц):

Определим I2m:

2.Определим постоянную составляющую выпрямленного напряжения:

3.Если пренебречь внутренним сопротивлением диода для прямого тока, то падение напряжения I2mRн можно считать равным максимальному напряжению на зажимах вторичной обмотки трансформатора:

4.Далее необходимо выбрать диод.

Из схемы на рис. 1 следует, что в отрицательный полупериод диод находиться под напряжением действующим на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее обратное напряжение оказывается равным:

Подбирая диод необходимо, чтобы выполнялось условие:

Подбирая диод необходимо следить, чтобы среднее значение тока I0, которое проходит через диод, не превышало допустимого среднего значения тока этого диода Iср.доп. . Если это равенство не выполняется, то необходимо подобрать диод с большим значением Iср.доп. или включить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.

Количество диодов определяется по формуле:

5.Далее определяется трансформатор по нагреву, т.е. по действующему значению тока и напряжения в первичной и вторичной обмотке трансформатора. Для определения I1 (действующего значения тока в первичной обмотке), рассчитаем коэффициент трансформации:

таким образом выражаем I1:

Мощность первичной обмотки трансформатора:

Мощность вторичной обмотки:

Типовая мощность трансформатора:

Для определения мощности использования трансформатора вводятся коэффициенты использования обмоток:

, ; .

В реальных трансформаторах надо учесть ток намагничивания, и поэтому ток I1 увеличивают на 20.30% и после этого подставляют в формулу мощности. Кроме того, учитывается падение напряжения на вентиле.

6.Схема выпрямителя оценивается по величине пульсации. Поскольку напряжения на нагрузке достигает максимума один раз за период, то и частота пульсации напряжения на нагрузке равна частоте цепи:

Коэффициент пульсации определяется по формуле:

,

где Um1 - амплитуда первой гармоники во вторичной обмотке. Um1 можно найти если разложить напряжение U2(t) в ряд Фурье. Окажется, что , тогда . Такая большая величина является основным недостатком однополупериодной схемы выпрямителя.

7.Для сглаживания пульсаций выпрямители нагружаются фильтром, в частности емкостным. Емкостной фильтр применяется при малых токах (т.е. при больших Rн). В этом случае получим зависимость U от wt. В данном случае коэффициент пульсации равен:

q - угол отсечки тока » 40о (0,6981 рад);

fП = fC = 50 Гц

kП = 0,001

Емкость:

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта (тема: "Расчёт однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой") произвёл расчёт однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой. В результате были рассчитаны токи и напряжения во второй обмотке трансформатора. Полученные результаты соответствуют справочным данным.

Список использованной литературы

1.В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев "Электротехника", М., "Высшая школа", 1991

2.В.И. Федотов "Основы электроники", М., "Высшая школа", 1988

.И.И. Анисимов "Полупроводниковые приборы", М., "Высшая школа", 1997

.Б.П. Афанасьев, О.Е. Тольдин, И.Г. Кляцкий "Теория линейных электрических цепей", М., "Высшая школа", 1973

.Б.В. Гершунский"Справочник по расчёту электронных схем", К., издательств при Киевском гос. Университете издательского объединения "Вища школа", 1983.