Основные силовые схемы выпрямителей

Количественные показатели работы силовой схемы характеризуются следующими коэффициентами:

1) коэффициентом схемы К_сх=U_d/U₂,

где U₂ - напряжение вторичной обмотки трансформатора,

U_d - среднее значение выпрямленного напряжения;

2) коэффициентом пульсаций К_п=U_пmax/U_max=1 - cos(180/р),

где U_пmax - максимальная амплитуда пульсаций,

U_max - амплитуда выпрямленного напряжения,

р – число пульсаций за период (р=2 для однофазной мостовой схемы,

р=3 для трехфазной нулевой схемы и р=6 для трехфазной мостовой схемы);

3) коэффициентом использования трансформатора К_и=S_т/P_d,

3)где S_т - полная мощность трансформатора,

3) P_d - выпрямленная мощность в нагрузке.

3)Отметим следующие соотношения для расчета тока и напряжения диода, используемые при выборе диодов:

1) средний ток через диод

I_д= I_d/(n* К_о),

где К_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения диода (К_о=1 при водяном охлаждении, К_о=0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о=0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);

I_d - средний выпрямленный ток,

n - число тактов выпрямления схемы, n=2 (однофазная), n=3 (трехфазная);

2) максимальное напряжение диода,

U_{обр.макс.} = k_зап ×××U_2н,

где k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение напряжения, К_зап=1,25…2,0;

m – число фаз.

Однофазная мостовая схема

Схема выпрямителя и диаграммы ее работы показана на рис.2. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD4 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9; К_п=1,0; К_и=1,1.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап**U₂, I_vs=I_d /(2*K_o).

Достоинства схемы:

- небольшое число диодов,

- небольшие габариты и вес.

Недостатки схемы:

- неравномерная загрузка трехфазной сети и ограниченная вследствие этого установленная мощность схемы (P_d < 10 кВт),

- высокий коэффициент пульсаций (без сглаживающего фильтра К_п=1,0).

Трехфазная нулевая схема

Схема выпрямителя и диаграммы ее работы показана на рис.3. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD3 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=1,17; К_п=0,5; К_и=1,35.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап**U₂, I_vs=I_d /(3*K_o).

Достоинства схемы (по сравнению с однофазной мостовой):

- меньшее число диодов,

- ниже коэффициент пульсаций,

- небольшие габариты и вес,

- равномерная загрузка трехфазной сети и большая вследствие этого установленная мощность схемы (P_d < 50 кВт).

Недостатки схемы:

- завышенная мощность силового трансформатора вследствие подмагничивания его вторичной обмотки выпрямленным током.

Трехфазная мостовая схема

Схема выпрямителя показана на рис.4. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD6 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=2,34; К_п=0,13; К_и=1,05.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап**U₂, I_vs=I_d /(3*K_o).

Достоинства схемы (по сравнению с трехфазной нулевой):

- наивысшая установленная мощность схемы (до 3000 кВт),

- ниже коэффициент пульсаций,

- отсутствие подмагничивания силового трансформатора, и вследствие этого, наилучший коэффициент его использования.

Недостатки схемы:

- большее число силовых диодов,

- больше габариты и вес.

Лекция 6. ТРАНЗИСТОРЫ

а) Биполярный транзистор – это трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из полупроводников n -типа и р -типа. Биполярные транзисторы бывают рnp -типа (рис.1) и npn -типа (рис.2).

Под действием внешнего напряжения биполярный транзистор может находиться в двух состояниях: открытом (проводящем), когда напряжение приложено в прямом направлении (плюс на эмиттере, минус на коллекторе), а на базу подано напряжение управления (Uкэ > 0, Uбэ > 0); и закрытом (непроводящем), когда напряжение приложено также в прямом направлении, но на базе отсутсвует напряжение управления (Uкэ > 0, Uбэ = 0).

Транзисторы могут включаться по трем основным схемам: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Включение транзистора по схемам с ОБ, ОЭ и ОК показаны на рис.3 – 5.

Входная и выходная характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ, показана соответственно на рис.6 и рис.7.

В настоящее время в качестве основного материала для изготовления транзисторов выступает германий или кремний.

Транзисторы выбираются по величине тока коллектора I_к, допустимому напряжению U_кэ, коэффициенту усиления β, максимальной частоте f и другим праметрам.

Классификация транзисторов:

- по материалу: германиевые (t_раб = – 60⁰С - +70⁰С) и кремниевые (t_раб = – 60⁰С - +120⁰С);

- по диапазону рабочих частот: низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц) и высокочастотные (свыше 30 МГц);

- по мощности: малой (до 0,3 Вт), средней (от 0,3 до 1,5 Вт) и большой мощности (свыше 1,5 Вт).

Маркировка транзисторов:

- разработанных до 1964 г.: состоит из трех элементов: первый – буква П (полупроводниковый триод, для модернизированных вначале добавлена буква М); второй – цифра, определяющее номер разработки, третий – буква, определяющая разновидность данного транзистора.

- разработанных после 1964 г.: состоит из четырех элементов: первый – буква или цифра, обозначающая материал (Г или 1 – германий, К или 2 – кремний); второй – буква Т (транзистор); третий – цифра, определяющее номер разработки, четвертый – буква, определяющая разновидность данного транзистора.

Технические данные биполярных транзисторов указаны в табл.1.

Основные данные транзисторов. Таблица 1.

Тип	Максимальное напряжение «коллектор-эмиттер», В	Максимальный ток коллектора, А	Мощность, Вт	Макси-мальная частота, мГц	Тип транзи-стора	Мате-риал
Транзисторы малой мощности
КТ361А		0,05	0,15	2,5	p-n-p	кремний
КТ203 Б		0,01	0,15		p-n-p	кремний
ГТ308Б		0,05	0,15		p-n-p	германий
КТ601А		0,03	0,25		n-p-n	кремний
КТ315В		0,1	0,15		n-p-n	кремний
Транзисторы средней мощности
КТ815А		1,5			n-p-n	кремний
КТ940А		0,1			n-p-n	кремний
Транзисторы большой мощности
ГТ402И		1,25		0,008	p-n-p	германий
КТ814А		1,5			p-n-p	кремний
КТ816Г					p-n-p	кремний
КТ801А					n-p-n	кремний
КТ802А					n-p-n	кремний

б) Полевой транзистор – это универсальный активный прибор, применяемый в широком классе электронных устройств. В его конструкции также применяются полупроводники n -типа и р -типа.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике. Управление током в выходной цепи осуществляется управляющим напряжением.

Полевые транзисторы бывают с рn -переходом и с изолированным затвором.

Полевой транзистор с р n -переходом (рис.8) состоит из полупроводникового стержня (канала) с выводом от каждого конца. На поверхности канала с противоположных сторон формируется рn -переход таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока. Вывод, от которого носители начинают свой путь (положительный для р -канала и отрицательный для n -канала), называется истоком; противоположный вывод, к которому приходят носители, называется стоком. Третий вывод от рn -перехода называется затвором.

Электрическое поле, создаваемое затвором, изменяет плотность носителей зарядов в канале, т.е. изменяет величину протекающего тока. При этом сопротивление между каналом и управляющим электродом велико, а ток затвора мал.

В полевом транзисторе с изолированным затвором (МОП-транзистор) (рис.9) затвор отделен от канала тонким изолирующим слоем, при котором проникновение поля в канал не затрудняется. При этом ток затвора значительно уменьшается и не зависит от полярности приложенного к затвору напряжения (в отличие от транзисторов с рn -переходом).

Каналы МОП-транзисторов по физическим свойствам разделяются на встроенные (обедненного типа) и индуцированные (обогащенного типа). По встроенному каналу течет ток в отсутствии напряжения на затворе, если приложить напряжение между стоком и истоком. Это так называемый начальный ток стока. Величиной тока стока можно управлять, изменяя величину и полярность напряжения между затвором и стоком. При некотором положительном напряжении затвор-исток транзистора с р -каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается.

Полевые транзисторы могут включаться по трем основным схемам: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Сток-затворные (переходные) характеристики (а – с рn -переходом, б – с встроенным каналом, в – с индуцированным каналом) и стоковые (выходные) характеристики транзистора показаны соответственно на рис.10 и рис.11.

Транзисторы выбираются по величине тока стока I_с, допустимым напряжениям (U_си, U_зс , U_зи), мощности рассеивания, максимальной и минимальной температуре окружающей среды и другим праметрам.

Технические данные полевых транзисторов указаны в табл.2.

Основные данные транзисторов. Таблица 2.

Тип	Максимальное напряжение «сток-исток», В	Максимальный ток стока, мА	Мощность, Вт	Диапазон температур0С	Тип транзи-стора	Назна-чение
Транзисторы с рn -переходом
КП103М			0,12	-55…70	с р -кан.	УНЧ
КП303Г			0,2	-60…100	с n -кан.	УНЧ
Транзисторы с встроенным каналом
КП302А			0,3	-60…100	n -типа	РС
КП302В			0,3	-60…100	n -типа	РС
Транзисторы с индуцированным каналом
КП301Б			0,2	-40…70	р -типа	ВЧ РС