Выпрямители с удвоением и умножением напряжения

Рис. 3. Временные диаграммы токов в цепи при различных значениях

фазового параметра () активно-индуктивной нагрузки

При емкостном характере нагрузки большое значение играет соотношение постоянных времени цепей заряда и разряда конденсатора, что требует знания внутреннего сопротивления выпрямителя. Основные различия между конденсаторными и аккумуляторными нагрузками заключаются в величине энергии, запасенной в них, и связанной с нею инерционностью процессов энергонаполнения и энергоотдачи. С появлением так называемых молекулярных накопителей энергии емкостного типа (ионисторов) с эффективной емкостью (способных запасать энергию до 50000 Дж) различия между конденсаторными и аккумуляторными нагрузками исчезают.

Рассмотрим работу выпрямителя при постоянной времени цепи заряда конденсатора (рис. 4.а), соизмеримой с полупериодом выпрямленного напряжения. При нулевых начальных условиях (рис. 4) с появлением полуволны напряжения выпрямителя начинается заряд конденсатора (интервал времени 0-1, рис. 4.б).

В определенный момент ток i_d1 достигает максимального значения и затем спадает к нулю. На интервале 1-2 напряжение и поэтому диод VD1 закрыт, а ток нагрузки поддерживается разрядным током конденсатора. Следующее подключение выпрямителя к конденсатору произойдет в момент 2 при условии . Далее процесс будет повторяться, пока не достигнет квазиустановившегося режима. Скорость установления и уровень среднего напряжения зависит как от постоянной времени заряда, как и от постоянной времени заряда.

Для наглядности на рис. 4.б показаны примеры установления процесса при различных сопротивлениях нагрузки. Из рассмотренного, в частности, следует, что внешняя характеристика выпрямителя является «мягкой» и имеет значение , т.е. более чем в 1,5 раза выше, чем напряжение выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (рис. 4.в).

Параметры выпрямителя зависят от угла отсечки . При = 0 , I₀ = 0, что соответствует режиму ХХ. При величины , , что соответствует току К3. Варьируя величиной , можно получить промежуточные точки внешней характеристики.

Существенным недостатком работы выпрямителя на емкостную нагрузку является бросок тока при включении выпрямителя при нулевых начальных условиях. Так как пик тока может достигать значений десятки – сотни ампер, это может служить причиной выхода из строя полупроводниковых приборов, а также является причиной помех, вызванных провалами напряжения сети в момент образования пиков тока. Для устранения этого недостатка могут быть использованы различные технические приемы, обеспечивающие «мягкий» или «плавный» пуск, т.е. запуск выпрямителя без ударных токов.

Одним из приемов может служить предварительный заряд конденсатора (при отключенном сопротивлении R_н) через ограничивающий резистор R_огр. При определенном напряжении на конденсаторе резистор R_огр закорачивается и подключается нагрузка.

Другой способ, ориентированный на применение тиристоров в схеме выпрямителя, предусматривает последовательное, от такта к такту, уменьшение угла регулирования . Ограничение пускового тока в этом случае связано с ограничением интегральной величины и времени действия импульса напряжения передаваемого конденсатору фильтра.

Выпрямитель с конденсатором может служить основой для построения схем умножения напряжения, особенно эффективных при малых токах нагрузки (при малых постоянных времени разряда).

На рис. 5.а показана схема удвоения, образованная из двух однопульсных схем с конденсаторами С1 и С2. Конденсаторы заряжаясь поочередно до среднего значения на зажимах нагрузки обеспечивают сумму , причем частота пульсаций результирующего напряжения вдвое выше частоты питающего напряжения (рис. 5.б).

Рис. 5. Схема выпрямителя с удвоением напряжения (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип действия (б).

Другой вариант каскадного умножения показан на рис. 6. Схема применяется при токах нагрузки менее 1 мА, например, для питания анодов электроннолучевых трубок.

Рис. 6. Каскадная схема умножения напряжения

В первый такт конденсатор С1 через диод VD1 заряжается до амплитуды напряжения источника. Во второй такт под действием суммы напряжения U_c1 и полуволны напряжения источника через диод VD2 конденсатор С2 заряжается до величины, близкой к 2U_2т. Далее конденсатор С3, а затем С4 зарядятся до напряжения 2U_2т. При наращивании цепи процесс передачи величины напряжения 2U_2т следующим конденсатором может быть продолжен. Таким образом, с верхней гирлянды конденсаторов может быть получено напряжение U₀=3U_2т (или nU_2т, где n - число каскадов умножения), а с нижней гирлянды U₀=4U_2т (или (п+1)U_2т).