Полупроводниковые выпрямители

Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового выпрямителя.

Теоретическое введение

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Основными параметрами выпрямителя являются:

ü Среднее значение выходного напряжения , где Т – период следования импульсов; u _вых – мгновенное значение выпрямленного напряжения, t – время.

ü Среднее значение выходного тока , где i _вых – мгновенное значение выпрямленного тока.

ü Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения , где U_mi – амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения (амплитуда основной гармоники), U_ном – номинальный уровень напряжения.

ü Внешняя характеристика выпрямителя (рис. 2.1) – зависимость среднего значения выходного напряжения на нагрузке от среднего значения выходного тока (тока нагрузки).

Рис. 2.1. Внешняя характеристика выпрямителя.

Здесь Е _ср – напряжение при токе нагрузки равном нулю (ЭДС выпрямителя), ∆Uср=Iср(R _и.+ R) – падение напряжения от протекания тока нагрузки по активным сопротивлениям источника питания R _и. и выпрямительных диодов в открытом состоянии R.

К основным величинам, характеризующим эксплуатационные свойства выпрямителей, принято так же относить КПД, коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной) и регулировочная характеристика, т.е. зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования, для управляемых выпрямителей (с регулируемым выпрямленным напряжением)

Классификация выпрямителей может выполняться по различным признакам:

- по форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);

- по числу фаз силовой сети (однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные);

- по мощности (маломощные – до 100 Вт, средней мощности – до 5 кВт, мощные – свыше 5 кВт);

- по напряжению (низкого – до 250 В, среднего – до 1 кВ, высокого – свыше 1 кВ);

- по частоте выпрямляемого тока (промышленной частоты – 50 Гц, повышенной – от 400 до 1000 Гц, высокой – свыше 1 кГц).

Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.2, а), нагруженного на активное сопротивление R _н. Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону u _вх= U _msin ωt. Тогда в интервале времени 0< t < T /2 диод VD открыт, ток через нагрузку и падение напряжение на нагрузке повторяют форму входного сигнала. На интервале T/2<t<T диод VD закрыт, ток через нагрузку не течет и напряжение на нагрузке равно нулю (рис. 2.2, б).

Рис. 2.2 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).

Из диаграмм работы (рис. 2.2, б) видно, что выпрямленный ток в нагрузочном резисторе будет создавать падение напряжения только для нечетных полупериодов. Тогда, среднее значение напряжения[10] составит:

(2.1)

Аналогично среднее значение тока текущего через резистор I _ср≈0,31 I_m.

Мгновенное значение напряжения на нагрузке (см. рис. 2.2, б) удобно представить в виде ряда Фурье.

где U₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Тогда, коэффициент пульсаций для рассматриваемого случая равен .

Как видно из диаграммы (см. рис. 2.2, б), максимальное значение обратного напряжения на выпрямительном диоде равно U _обр= U _m. Поэтому с учетом (2.1), при выборе диода для его использования по схеме однофазного однополупериодного выпрямителя обратное напряжение равно

(2.2)

Среднее значение тока, в этом случае равно выпрямленному току.

Как правило, в состав схемы выпрямления включается трансформатор. При его выборе следует учитывать, что расчетная мощность трансформатора зависит не только от мощности постоянного тока P ₀= U _ср I _ср, но и от применяемой схемы выпрямления. При использовании однополупериодных схем выпрямления по вторичной обмотке трансформатора протекает постоянная составляющая тока, оказывающая намагничивающее/размагничивающее действие, что вызывает увеличение тока, текущего через первичную обмотку. С учетом вышеизложенного, для рассматриваемой схемы выпрямителя, расчетная мощность трансформатора Р _тр≈(3,2…3,5) Р ₀. Тогда, коэффициент использования обмоток трансформатора

К _тр= Р ₀/ Р _тр≈0,3

Видно, что однополупериодное выпрямление имеет существенные недостатки, а именно: большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; большое обратное напряжение на выпрямительном диоде, плохое использование обмоток трансформатора и намагничивание его сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока. Поэтому, несмотря на предельную простоту схемы, она редко применяется на практике.

Параметры выходного напряжения можно существенно улучшить, если выходной ток будет протекать в оба полупериода действия выходного напряжения. Один из вариантов реализации этой идеи заключается в использовании однофазного двухполупериодного выпрямителя. Рассмотрим его работу на примере мостового выпрямителя (рис. 2.3.).

Рис. 2.3 Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).

Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону u _вх= U _msin ωt. Тогда в интервале времени 0< t < T /2 диоды VD2, VD3 открыты, ток i ₁ течет через нагрузку по цепи VD2, R _н, VD3. На интервале T/2<t<T диоды VD2, VD3 закрыты, и через нагрузку течет ток i ₂ по цепи VD4, R _н, VD1. Таким образом, ток через нагрузку i _н= i ₁₊ i ₂ протекает в оба полупериода в одном и том же направлении. Следовательно, на основании (2.1) запишем

(2.3)

Аналогично I _ср≈0,62 I_m, соответственно коэффициент пульсаций уменьшается ε=0,67. При этом, так как каждое плечо моста содержит два последовательно соединенных диода VD2, VD3 или VD1, VD4, то обратное напряжение, на действующее на каждый диод, вдвое меньше. Кроме того, в схеме двухполупериодного выпрямления ток i _вх протекает в течение обоих полупериодов и является гармоническим, поэтому дополнительное намагничивание сердечника отсутствует, поэтому коэффициент использования обмоток трансформатора возрастает К _тр≈0,67.

Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Схема выпрямителя содержащего емкостной фильтр (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).

По первому закону Кирхгофа прямой ток через диоды VD2, VD3 равен

i ₁= i _н+ i _с= Сdu _c/ dt + u _н/ R _н

где u _c= u _н= U _msin ωt – напряжение на конденсаторе фильтра емкостью С;
i _с= Сdu _c/ dt=ωС cos ωt - ток, текущий через конденсатор.

Предположим, что i ₁=0. Тогда

ωС cos ωt+ (U _m/ R _н)sin ωt= 0

откуда .

Т.о. начиная с момента времени t ₁, напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 2.4, б штриховая линия):

В момент времени t ₂ напряжение на конденсаторе u _c и на входе выпрямителя
u ₂=- U _msin ωt будут равны и откроются диоды VD1, VD4. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться, в результате происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током i _с от источника энергии и его последующая разрядка в цепь приемника. Т.о. включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую в кривой выпрямленного напряжения.

Мощные выпрямители, предназначенные для коммутации токов до 10⁶ А мощностью от 10 кВт до 100 кВт, как правило, целесообразно питать от трехфазных цепей переменного тока. Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение, приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а), мостового трехфазного выпрямителя (в) и диаграммы их работы (б и с соответственно).

Простейшая трехфазная система выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 2.5, а) состоит из трехфазного трансформатора и трех диодов. Первичная обмотка трансформатора может соединяться Y или ∆, а вторичная – только Y, иначе отсутствует необходимый нулевой вывод. Такую схему удобно рассматривать как состоящую из трех однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Выпрямители питаются тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120⁰ (см. рис. 2.5, б). Как видно из диаграммы работы диоды проводят ток поочередно, каждый в течении 1/3 периода выпрямляемого напряжения. Проводящим, в каждый данный момент, является тот диод, анод которого находится под действием положительного напряжения. В этом случае ток через нагрузку протекает в одном направлении, от конца одной их вторичных обмоток, через диод и нагрузку к общей точке. Трехфазная схема с нулевым выводом по сравнению с рассмотренными однофазными обладает рядом преимуществ: равномерная нагрузка на сеть переменного тока; лучшее использование обмоток трансформатора; уменьшение коэффициента пульсаций (более чем в 2,5 раза по сравнению с двухполупериодными схемами и в 6 раз, по сравнению с однополупериодной), что позволяет использовать емкостные фильтры меньшей емкости. К недостаткам этой схемы следует отнести плохое использование трансформатора и повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.

Исключить указанные недостатки позволяет мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова) (см. рис. 2.5, в). Обмотки трансформатора в этом случае могут соединяться по любой схеме, так как нулевой вывод здесь не нужен. Трехфазную мостовую схему удобно представить как два трехфазных выпрямителя, которые включены последовательно и питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180⁰ (см. рис. 2.5, с). При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций, равный 5,7%., что позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр.

Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы

Упражнение 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

1. Собрать стенд, в соответствии со схемой (рис. 2.6.) без сглаживающего фильтра. (В качестве источника питания использовать фазное напряжение U _AN источника 3-х фазного напряжения)

Рис. 2.6

1. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить входное напряжение и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.1
   (Табл. 2.1)

Rн, кОм	2,2	4,7	10,0	22,0
U, В
I, мА

1. По результатам измерение (табл. 2.1) построить внешнюю характеристику выпрямителя.
2. Установить сопротивление R_н =10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а - б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.
3. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U _m.
4. Отключить осциллограф, подключить к выводам c-d вольтметр и измерить среднее значение напряжения на нагрузке U _ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.
5. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.2, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.2)

С, мкФ
U m, В
U ном, В
ε

1. Сделать вывод о том, какое влияние оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсации напряжения. Оценить соответствие теоретических и экспериментальных значений ε.

Упражнение 2. Мостовой выпрямитель.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 2.7.)

Рис. 2.7.

1. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить вольтметром V ₁ входное напряжение и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.3 (Табл. 2.3)

Rн, кОм	2,2	4,7	10,0	22,0
U, В
I, мА

1. По результатам измерений (табл. 2.3) построить (на графике, по п.3 упражнения 1) внешнюю характеристику выпрямителя.
2. Установить сопротивление R_н =10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а - б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.
3. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U _m.
4. Измерить по показаниям вольтметра V ₀ среднее значение напряжения на нагрузке U _ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.
5. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.4, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.4)

С, мкФ
U m, В
U ном, В
ε

1. Сделать вывод о том, какое влияние оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсации напряжения. Оценить соответствие теоретических и экспериментальных значений ε.

Упражнение 3. Выпрямитель трехфазного тока мостовой.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 2.8.)

Рис. 2.8.

1. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить вольтметром фазное входное напряжение V ₁ и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.5 (Табл. 2.5)

Rн, кОм	2,2	4,7	10,0	22,0
U, В
I, мА

1. По результатам измерение (табл. 2.5) построить (на графике, по п.3 упражнения 1) внешнюю характеристику выпрямителя.
2. Установить сопротивление R_н =10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а - б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.
3. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U _m.
4. Измерить по показаниям вольтметра V ₀ среднее значение напряжения на нагрузке U _ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.
5. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.6, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.6)

С, мкФ
U m, В
U ном, В
ε

1. Сделать вывод о том, какое влияние оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсации напряжения. Оценить соответствие теоретических и экспериментальных значений ε.

Контрольные вопросы.

1. Почему максимальное значение выпрямленного напряжения не совпадает с амплитудой входного напряжения?
2. Что произойдет при изменении полярности одного из диодов в цепи одно- двух- полупериодных выпрямителей?
3. Опишите работу мостового выпрямителя.
4. Опишите работу трехфазного выпрямителя.
5. Почему, при использовании трансформаторов, их мощность должна быть больше чем мощность выпрямленного напряжения?
6. Какие основные параметры и характеристики выпрямителей Вы знаете?

Дата добавления: 2015-06-04