Влияние характера нагрузки на работу выпрямителя

Процесс перехода тока от одной ветви схемы к другой, в результате чего меняется контур электрического тока, называется коммутацией.

Процесс коммутация влияет на формы кривых выпрямлённого напряжения u_d и токов i₁ и i₂ в обмотках трансформатора. Это сказывается на среднем значении и на гармоническом составе тока, потребляемого его из сети. По сравнению со случаем идеального выпрямителя с мгновенной коммутацией при реальных процессах коммутации изменяются лишь амплитуды и фазы гармоник в кривых u_d и i_d.

 

Сглаживающие фильтры.

Общие сведения.

Для надёжной работы электронной аппаратуры, устройств автома­тики и других потребителей выпрямленного тока необходимо ликви­дировать пульсацию выпрямленного напряжения, так как повышенная пульсация создаёт дополнительные колебания, следовательно, и иска­жения в усилителях, ухудшает условия коммутации тока и увеличивает потери в двигателях. Поэтому на выходе всех выпрямителей устанав­ливают специальные устройства, называемые сглаживающими филь­трами, или реакторами (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Структурная схема фильтра.

Действие фильтра по уменьшению пульсации выходного напря­жения характеризуется коэффициентом пульсации К_п, который оп­ределяется как отношение амплитуды основной гармоники пуль­сации U_~1 к постоянной составляющей U_d, т.е. q= U_~1/ U_d. Пульса­ция напряжения на нагрузке характеризуется коэффициентом q1, который определяется соотношением амплитуды основной гармо­ники пульсации на нагрузке и выпрямленного напряжения U_dн, т.е. q1=U_d~/U_dн. Отношение значений q и q1 определяет степень сгла­живания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра S = q / q1

Ослабляя переменную составляющую, сглаживающий фильтр умень­шает постоянную составляющую. Чем меньше степень уменьшения постоянной составляющей при неизменном ослаблении переменной, тем качественнее фильтр. Для фильтров выпрямителей малой мощнос­ти отношение U_d/U_dн = 1,05 1,1, а фильтров выпрямителей большей мощности U_d/U_dн = 1,005±1,01. В практических расчётах можно при­нимать U_d U_dн. Для практических целей используют в основном два вида фильтров: ёмкостный и индуктивный.

Пассивные фильтры.

Для того чтобы на выходе выпрямителя получить напряжение с меньшими пульсациями, достаточно параллельно сопротивлению нагрузки R_н включить конденсатор (рис. 19.9, а). В те промежут­ки времени, когда диод пропускает ток, конденсатор запасает элект­рическую энергию. Когда же к диоду приложено обратное напря­жение, конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки. Та­ким образом, через нагрузочное сопротивление ток проходит не­прерывно, причем пульсации выпрямленного напряжения и тока значительно уменьшаются. В связи с этим схемы выпрямителей, ис­пользуемые для питания сравнительно маломощной электронной аппа­ратуры, как правило, имеют на своем выходе конденсатор, который по существу является первым элементом сглаживающего фильтра.

Величину входной емкости сглаживающего фильтра, обеспечи­вающего пульсацию выпрямленного тока не более чем на 10 % при частоте сети f_с=50 Гц, подсчитывают по формулам:

для однополупериодной схемы

для двухполупериодной схемы со средней точкой и мостовой схемы

где С₀ — входная емкость фильтра, мкФ; I₀— выпрямленный ток, мА; U₀— выпрямленное напряжение, В.

Наиболее распространенные схемы сглаживающих фильтров при­ведены на рис. 19.9. Выбор той или иной схемы определяется величиной выпрямленного тока, проходящего через фильтр, и до­пустимым значением коэффициента пульсации выпрямленного на­пряжения на выходе фильтра.

В качестве последовательных элементов фильтров чаще всего используются индуктивности (дроссели) и активные сопротивле­ния (резисторы). Параллельными элементами фильтра обычно слу­жат конденсаторы.

Действие дросселя как элемента фильтра сводится к тому, что в нем теряется наибольшая доля переменной составляющей напря­жения, так как его сопротивление X_Lф=ωL_ф стремятся выбрать значительно больше нагрузочного сопротивления R_H. Для постоян­ной составляющей выпрямленного тока индуктивное сопротивле­ние дросселя равно нулю. Следовательно, потери постоянной со­ставляющей напряжения на дросселе обусловлены лишь его незна­чительным омическим сопротивлением и в большинстве случаев ими можно пренебречь.

Действие конденсатора как элемента фильтра сводится к тому, что, шунтируя сопротивление нагрузки, он пропускает через себя наибольшую долю переменной составляющей выпрямленного тока, так как сопротивление Х_Сф= стремятся выбрать значительноменьше нагрузочного сопротивления R_H. Для постоянного тока со­противление Х_Сф бесконечно велико, поэтому постоянная состав­ляющая выпрямленного тока проходит в основном через сопротив­ление нагрузки.

Произведение L_ф Сф (в Гн • мкФ) в зависимости от необходи­мого коэффициента сглаживания определяется по формуле

L_ф Сф= (19.39)

где F_с— частота сети, Гц; m — число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы т m= 1, для двухполупериодных схем m= 2).

Для наиболее распространенных двухполупериодных схем при частоте F_с = 50Гц

L_ф Сф=2,5 (q+1) (19.40)

Величины L_ф и С_ф должны быть выбраны так, чтобы выполня­лось условие

тω_cL_ф> (19.41)

где ω_c=2πf_c— угловая частота сети.

Обычно в качестве конденсаторов фильтра используются элект­ролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью (по­рядка 10—40 мкФ). Рабочее напряжение конденсатора должно превышать выпрямленное напряжение приблизительно в 1,5 раза.

Задаваясь значением С_ф и пользуясь формулой (19.40), опреде­ляют индуктивность дросселя L_ф. Правильность расчета проверяют по формуле (19.41).

Для увеличения коэффициента сглаживания могут быть исполь­зованы двухзвенные фильтры, представляющие собой сочетание двух одинаковых Г-образных фильтров (рис. 19.9, в). При этом для практических расчетов можно считать, что коэффициент сгла­живания двухзвенного фильтра равен произведению коэффициен­тов сглаживания каждого звена

q=q1q2 (19.42)

Особенностью фильтров типа LC является незначительное па­дение постоянной составляющей выпрямленного напряжения на дросселе, что дает возможность применять такие фильтры в устрой­ствах с относительно большим током нагрузки. Существенным не­достатком их является большая масса дросселя, а также образова­ние вокруг дросселя магнитных полей, влияющих на работу раз­личных высокочувствительных узлов электронной аппаратуры.

Эти недостатки устраняются в фильтрах типа RC (рис. 19.9, г ид). Такие фильтры значительно дешевле фильтров типа LC, имеют малые размеры и массу. Однако их целесообразно применять при малых выпрямленных токах (порядка 10—15 мА) и не больших значениях коэффициента сглаживания. Это объясняется тем, что на активном сопротивлении R_ф происходят потери как переменной, так и постоянной составляющих выпрямленного напряжения, что при больших токах нагрузки может привести к резкому уменьше­нию напряжения на выходе фильтра.

Произведение R_ф С_ф (в Ом • мкФ) определяется по формуле

R_ф С_ф= (19.43)

Величину сопротивления выбирают из условия допустимого падения выпрямленного напряжения на фильтре, а мощность, которую должно рассеивать сопротивление R_ф подсчитывают по формуле

Р = I₀²R_ф

где I₀— выпрямленный ток, A; R_ф— сопротивление, Ом.

Рис. 19.9. Схемы сглаживающих фильтров: а- простейший ёмкостный фильтр; б и в- фильтры типа LC; г и д- фильтры типа RC

Активные фильтры.

Кроме фильтров типа LC и RC, широкое распространение получили транзисторные сглаживающие фильтры (рис. 19.10). Они имеют малые габариты и массу, не создают нежелательных маг­нитных полей, возникающих вокруг дросселя LC-фильтров, имеют меньшие потери выпрямленного напряжения по сравнению с фильт­рами типа RC.

Рассмотрение выходной характеристики транзистора с общим эмиттером (рис. 19.10, а) показывает, что на пологой ее части со­противление участка коллектор — эмиттер переменному току

r_КЭ~=

больше, чем постоянному току в рабочей точке Р,

r_КЭр= .

Поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя фильтра. Одна из возможных схем транзисторного сглаживающего фильтра приведена на рис. 19.10, б.

Необходимо отметить, что при расчете выпрямителя надо учи­тывать характер сопротивления нагрузки, от которого во многом зависят расчетные соотношения. В реальных схемах выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает активным. Это связано с тем, что сглаживающий фильтр, включаемый между выпрямителем и потребителем, в принципе представляет собой реактивное сопро­тивление Как было показано выше, чаще всего фильтр начинается с конденсатора. Поэтому характер нагрузки на выпрямитель обыч­но оказывается емкостным.

Рис. 19.10. Транзисторный сглаживающий фильтр: а- выбор рабочей точки на выходной характеристике транзистора; б- схема

Стабилизаторы.

Качество работы электронных устройств в значительной степе­ни определяется стабильностью питающего напряжения или тока, которая должна быть обеспечена не только при изменении напря­жения в сети, но и при изменении нагрузки, температуры окружа­ющей среды и других дестабилизирующих факторов.

Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом ста­билизации — отношением относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения (тока) на выходе. Коэффициент стабилизации по напряжению:

Где ∆I_{н max}- I_{н min}

Стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В пара­метрических стабилизаторах процесс стабилизации основан на использова­нии нелинейных элементов, в компенсационных—стабилизация напряже­ния достигается с помощью устройства с ОС, контролирующего уровень выходного напряжения. При отклонении от этого уровня регулятор восста­навливает заданное напряжение на выходе.

Параметрические стабилизаторы.

В параметрических стабилизаторах используются активные или реактивные нелинейные сопротивления. Активные нелинейные сопротивления по характеру нелинейности подразделяют на два типа: R_U и R_I. Сопротивления типа R_U и R_I используются в стаби­лизаторах напряжении и тока соответственно.

Практическая схема стабилизатора постоянного напряжения приведена на рис. 12.2. В качестве нелинейного элемента в схеме используется кремниевый стаби­литрон VD, R_Б — линейное со­противление.

Для стабилизации тока в ка­честве нелинейного сопротивле­ния применяют барретер, состо­ящий из стеклянного баллона, заполненного водородом, в ко­тором помещается вольфрамо­вая нить. При прохождении тока по нити барретера сопротивление нити вследствие разогрева уве­личивается. Барретер включается в цепь последовательно с нагруз­кой Z_Л (рис. 12.3).

В цепях питания переменного тока для стабилизации часто ис­пользуют реактивные нелинейные сопротивления. Они обеспечи­вают более высокий КПД.

В зависимости от типа нелинейного реактивного элемента элек­тромагнитные стабилизаторы делят на стабилизаторы напряже­ния с насыщенным стальным сердечником и феррорезонансные ста­билизаторы.

Коэффициент стабилизации стабилизаторов напряжения с на­сыщенным стальным сердечни­ком достигает примерно 15...20, а КПД порядка 50 %.

Коэффициент стабилизации феррорезонансных стабилизаторов достигает 50...70. Стабилизаторы, основанные на феррорезонансе токов, строят на различные мощности — от десятков киловольт-ампер; их КПД 75...85 %. Основной недостаток этих стабилизаторов — силь­ная зависимость выходного напряжения от частоты.

Рис. 12.2. Схема стабилизатора напряжения

Рис. 12.3. Схема стабилизатора тока

Компенсационные стабилизаторы.

При компенсационной стабилизации осуществляется автоматическое регулирование выходного напряжения. Компенсационный стабилизатор

(рис. 12.4) состоит из трёх узлов: из­мерительного (1), обнаруживающе­го отклонение выходной стабили­зируемой величины от заданного значения; усилительного (2), осу­ществляющего усиление обнару­женной разности напряжений или токов; исполнительного (3), ком­пенсирующего изменение входно­го напряжения. Одна из возможных схем компенсационного стабилизатора напряжения на полупроводни­ковых приборах приведена на рис. 12.5.

Транзистор Т1, включённый последовательно с сопротивлением нагрузки R_Н, является исполнительным элементом, а транзистор VT2 выполняет эту функцию измерительного и одновременно уси­лительного элемента.

Кремниевый стабилитрон VD используется в качестве источника опорного напряжения, а транзистор VT2 усиливает разность, обра­зованную опорным напряжением U_ОП и падением напряжения на ре­зисторе R2 делителя R1R2, подключённого к нагрузке. Если напря­жение на выходе U_ВХ возрастает, то в первый момент повышается напряжение и на выходе U_ВЫХ. Это приведёт к тому, что повысится напряжение на резисторе R2 делителя, а следовательно, к увели­чению базового тока I_Б2, при этом увеличится ток коллектора I_К2 и падение напряжение на резисторе R3. Потенциал базы транзисто­ра VT1 повышается и ток базы /_В1 снижается. Это приводит к умень­шению тока коллектора I_К1 транзистора VT1, равного приближённо току нагрузки, до того значения, при котором значение напряже­ния U_ВЫХ становится близким к прежнему.

Рис. 12.4. Структурная схема стабилизатора