Назначение и область применения выпрямительных устройств , сглаживающих фильтров и стабилизаторов напряжения и токов
Выпрямитель электрического тока - преобразователь электрической энергии; механическое,
электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для
преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной
электрический ток.
Преобразование переменного тока в пульсирующий называется выпрямлением.
Процесс уменьшения пульсаций называется сглаживанием пульсаций и осуществляется
сглаживающими фильтрами. Выпрямителем часто называют весь комплекс, в который входят как
собственно выпрямитель, так и сглаживающий фильтр.
Необходимыми частями выпрямителей являются:
электрические вентили - приборы, хорошо пропускающие ток в одном направлении и не
пропускающие его (или плохо пропускающие) - в другом.
В настоящее время используются полупроводниковые выпрямители, где в качестве вентилей
применены германиевые или кремниевые диоды.
Выпрямительные устройства характеризуются: выходными параметрами, параметрами,
характеризующими режим работы вентилей, и параметрами трансформатора. Наиболее
распространенный вентиль в маломощных устройствах – полупроводниковый диод. Если в
качестве вентилей используются тиристоры и транзисторы, то возможна реализация т. н.
управляемого режима выпрямления (на диодах строят неуправляемые выпрямители).
Выпрямители называются неуправляемыми, если величина напряжения на выходе выпрямителя
определяется только переменным напряжением на его входе:
Для классификации выпрямителей используют различные признаки и особенности их
конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз
силовой сети, тип сглаживающего фильтра.
По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные
выпрямители.
По числу фаз однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.
По схеме включения вентилей различают выпрямители: с параллельным, последовательным и
мостовым включением вентилей; однофазная однополупериодная схема выпрямления; двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой; однофазная мостовая схема; параметрический стабилизатор напряжения.
Исходными данными для расчета выпрямителя являются:
o номинальное выпрямленное напряжение на нагрузке Ud
o ток нагрузки Id
o сопротивление нагрузки или выходная мощность RH = Ud / Id
o допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения на нагрузке Kп
o частота питающей сети f
o количество фаз n
o номинальное напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора , его
возможное отклонение в сторону повышения и понижения U1
Процесс проектирования выпрямительных устройств можно разделить на несколько этапов:
1. Анализ исходных данных и выбор принципиальной схемы выпрямителя;
2. Расчет параметров сглаживающего фильтра;
3. Расчет параметров вентильного узла и выбор типа выпрямительных диодов;
4. Расчет параметров трансформатора;
5. Проверка соответствия применяемых компонентов режиму их работы в выпрямителе.
Выбор схемы выпрямителя производят в зависимости от значения требуемой выходной
мощности, выходного напряжения, коэффициента пульсаций, числа фаз. Критериями для выбора
конкретного вида выпрямителя служат достоинства и недостатки рассмотренных выпрямителей.
Однополупериодные выпрямители применяются в основном с выходной мощностью до 10 Вт
и в тех случаях, когда допускается сравнительно высокий коэффициент пульсаций.
Преимуществом таких выпрямителей являются простота и возможность работать без
трансформатора.
Их недостатки: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение на выпрямительных
диодах, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника трансформатора
постоянным током.
Двухполупериодные выпрямители со средней точкой применяются при напряжениях нагрузки до
нескольких десятков вольт и выходной мощности до 50 Вт. На выходе выпрямителя
устанавливают LC и RC фильтры.
Преимущества этих выпрямителей: повышенная частота пульсаций, малое число вентилей,
возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей, малое падение напряжения
на вентилях. Недостатки: большая требуемая габаритная мощность трансформатора, повышенное обратное
напряжение на вентильных диодах.
Мостовая схема выпрямления применяется наиболее часто. Ее применяют с емкостным, Г- или П-
образными LC- и RC-фильтрами.
Достоинствами мостовых выпрямителей являются: повышенная частота пульсаций, небольшое
обратное напряжение на выпрямительных диодах, эффективное использование трансформатора.
Недостатками являются: повышенное падение напряжения на вентилях, невозможность
установки однотипных вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.
Для того чтобы выбрать тип полупроводниковых диодов выпрямителя необходимо рассчитать с
учетом характера нагрузки основные характеристики выпрямителя по формулам таблицы. o значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам
при работе выпрямителя выбранного типа;
o среднее, действующее и максимальное значения прямого тока диодов;
o частоту и коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя.
Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10-20 лет назад. В
настоящее время они почти полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и
арсенид-галлиевыми приборами.
Единственным преимуществом германиевых диодов перед кремниевыми диодами является
низкое прямое падение напряжения. На германиевом диоде при максимально допустимом
прямом токе падение напряжения приблизительно в два раза меньше, чем на аналогичном
кремниевом диоде.
Недостатками германиевых диодов является: существование явно выраженного тока насыщения
при обратном включении диода, большая величина обратного тока, пробивное напряжение
уменьшается с ростом температуры, низкий верхний предел диапазона рабочих температур. А так
же германиевые диоды плохо выдерживают даже кратковременные импульсные перегрузки по
обратному напряжению. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов - тепловым
пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в
месте пробоя.
Кремниевые выпрямительные диоды с p-n-переходом – это наиболее распространенный в
настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей. Их основные
свойства:
o максимально допустимые прямые токи кремниевых диодов различных типов составляют ,
падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно ;
o с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;
o обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) кремниевых диодов не имеет ярко
выраженного участка насыщения;
o пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому пробивное напряжение с
увеличением температуры увеличивается;
o диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничен
значениями.
Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны,
обладают существенным преимуществом в свойствах и параметрах. С этой точки зрения,
относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с p-n-переходом из арсенида-галлия
являются очень перспективными приборами. К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов
относятся: значительный диапазон рабочих температур (до); лучшие частотные свойства (до
частоты и выше); повышенное падение напряжения в прямом направлении (более).
Выпрямительные диоды с барьером Шоттки – наиболее перспективный вид полупроводниковых
выпрямительных диодов. Они могут изготавливаться из кремния или арсенида галлия.
Основными преимуществами диодов с барьером Шоттки являются: малое падение напряжения
при прямом включении диода, большая максимально допустимая плотность тока, способность
выдерживать значительные перегрузки по току. Учитывая вышеизложенные рекомендации необходимо подобрать по справочнику. В настоящее
время используются полупроводниковые выпрямители, где в качестве вентилей применены
германиевые или кремниевые диоды. И более подходящий тип полупроводниковых диодов.
Применение выпрямителей:
Блоки питания аппаратуры
1. Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые
адаптеры (англ. AC-DC adaptor)).
2.Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств.
3.Выпрямители электросиловых установок
4.Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств
и буровых станков.
5. Сварочные аппараты
Сюда относятся выпрямительные установки для:
• железнодорожной тяги
• городского электротранспорта
• электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)
• питания приводов прокатных станов
• возбуждения генераторов электростанций
Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения
Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники
Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов
прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той
же причине, что и для двигателей транспортных средств.
Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения
металлических покрытий и гальванопластики.
Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)
Установки очистки и обессоливания воды
Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай,
троллейбус, электровоз, метро)
Для несинхронной связи энергосистем переменного тока
Для дальней передачи электроэнергии постоянным током.
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Сглаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглаживания q.
Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивление которых различно для постоянного и переменного токов.
В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.
Емкостной фильтр представляет собой конденсатор большой емкости, который включается параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор обладает большим сопротивление постоянному току и малым сопротивлением переменному току.
Индуктивный фильтр (дроссель) включается последовательно с Rн (рис. 3, а). Индуктивность обладает малым сопротивлением постоянному току и большим переменному. Сглаживание пульсаций основывается на явлении самоиндукции, которая изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении.
Индуктивные фильтры применяют в выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих с большими токами нагрузки.
Многозвенные фильтры используют сглаживающие свойства и конденсаторов и катушек индуктивности. В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, вместо дросселя Lф включают резистор Rф, что существенно уменьшает массу и габариты фильтра.
На  рисунке 3 представлены типы многозвенных LC- и RC- фильтров. Рисунок 3 – Многозвенные фильтры: а) Г - образный LC, б) П- образный LC, в) RC - фильтр
Стабилизаторы предназначены для стабилизации постоянного напряжения (тока) на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока.
Стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы напряжения и тока, а также на параметрические и компенсационные. Стабильность выходного напряжения оценивают коэффициентом стабилизации Кст.
Параметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой - полупроводникового стабилитрона. Напряжение на стабилитроне почти постоянно при значительном изменении обратного тока через прибор.
Схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 4. Входное напряжение UBX распределяется между ограничивающим резистором Rогр и параллельно включенными стабилитроном VD и резистором нагрузки Rн.
Рисунок 4 – Параметрический стабилизатор
При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон увеличится, значит, увеличится ток через ограничивающий резистор, и на нём будет происходить большее падение напряжения, а напряжение нагрузки останется неизменным.
Параметрический стабилизатор имеет Кст порядка 20 - 50. Недостатками такого типа стабилизаторов являются малые токи стабилизации и низкий КПД.
Параметрические стабилизаторы применяют в качестве вспомогательных опорных источников напряжения, а также когда ток нагрузки невелик - не более сотен миллиампер.
Компенсационный стабилизатор использует в качестве ограничивающего резистора переменное сопротивление транзистора. С ростом входного напряжения возрастает и сопротивление транзистора, соответственно с уменьшением напряжения уменьшается сопротивление. При этом напряжение на нагрузке остается неизменным.
Схема стабилизатора на транзисторах представлена на рисунке 5. Принцип регулирования выходного напряжения URн основан на изменении проводимости регулирующего транзистора VT1.
На сегодняшний день стабилизаторы выпускают в виде интегральных схем. Типовая схема включения интегрального стабилизатора изображена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Типовая схема включения интегрального стабилизатора напряжения
|
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 649; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!