Сглаживающие фильтры выпрямителей

Придание нагрузке емкостного характера за счёт включения параллельно ей конденсатора позволяет получить коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке порядка нескольких процентов. Для дальнейшего уменьшения коэффициента пульсаций в схему выпрямителя вводится сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр включается между конденсатором после диодной группы и нагрузкой (рис.1.12).

Рис. 1.12. Выпрямитель со сглаживающим фильтром.

Сглаживающий фильтр должен минимально влиять на среднее значение выпрямленного напряжения и уменьшить до требуемого значения пульсации выпрямленного напряжения.

Основным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент фильтрации – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра (т.1,2) к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра (т.3,4).

.

Отношение должно быть как можно ближе к единице, поэтому величина коэффициента фильтрации определяется отношением амплитуд основной гармоники на входе и выходе фильтра.

Наиболее часто используются Г -образные индуктивно-ёмкостной (LC) и активно-ёмкостной (RC) фильтры.

Схема Г -образного LC фильтра приведена на рис.1.13а.

Рис. 1.13. Г -образный LC -фильтр (а) и схемы замещения для постоянных (б)

и переменных (в) составляющих.

Для средних значений выпрямленного напряжения схема замещения LC фильтра показана на рис.1.13б. По этой схеме:

,

и при .

Для переменных составляющих (рис.1.13в) сопротивление конденсатора С_ф значительно меньше сопротивления нагрузки. Поэтому:

;

.

Полное выражение коэффициента фильтрации LC фильтра:

.

Поскольку LC фильтр является последовательным колебательным контуром, то значения L и C должны быть такими, чтобы резонансная частота контура была бы значительно меньше частоты сети. Обычно это условие выполняется при К_ф >3.

Однозвенный LC фильтр позволяет получить коэффициент фильтрации в пределах от 50 до 200.

Недостатком LC фильтра является использование дросселя с достаточно большой индуктивностью, что увеличивает массу и габариты фильтра.

В выпрямителях небольшой мощности, где к.п.д. не играет существенного значения, используют Г- образный RC фильтр (рис.1.14а).

В отличии от LC фильтра в RC фильтре потери среднего значения выпрямленного напряжения неизбежны (рис.1.14б). Сопротивление резистора R_ф

выбирают так, чтобы отношение было бы не менее 0,75.

Рис. 1.14. Г -образный RC -фильтр (а) и схемы замещения для постоянных (б)

и переменных (в) составляющих.

Для переменных составляющих (рис.1.14в) отношение равно:

.

Полное выражение коэффициента фильтрации RC фильтра:

.

RC фильтр может обеспечивать коэффициент фильтрации порядка при потерях постоянного напряжения не более 25%.

Сглаживающие фильтры можно включать последовательно. В этом случае общий коэффициент фильтрации равен:

.

При использовании LC фильтра при коэффициенте фильтрации больше 100 целесообразно использовать двухзвенный фильтр с коэффициентом фильтрации каждого звена . Это позволяет уменьшить массу и габариты элементов сглаживающего фильтра.

Наибольшее значение коэффициента фильтрации в одном звене можно получить, используя транзисторный сглаживающий фильтр (рис.1.15а). Фильтр выполняется на базе схемы с общим коллектором (эмиттерного повторителя) и может быть разбит на две составные части: сглаживающий RC фильтр, состоящий из резистора R_Б, конденсатора С_Б и входного сопротивления эмиттерного повторителя R_Вхэп (рис.1.15б), и эмиттерного повторителя (рис.1.15в).

Рис. 1.15. Транзисторный сглаживающий фильтр

Эмиттерный повторитель характеризуется повышенным входным сопротивлением:

,

поэтому сопротивление резистора также достаточно большое. За счет этого коэффициент фильтрации этого фильтра, который равен

,

составляет несколько сотен. Выходное напряжение эмиттерного повторителя повторяет по форме и величине входное напряжение U_Б (напряжение на С_Б), поэтому это выражение К_ф относится и к выходному напряжению фильтра.

Рабочая точка транзистора выбирается так, чтобы при минимально возможном входном напряжении фильтра транзистор работал бы в активной области выходных характеристик. Это условие выполняется, если:

.

В транзисторном фильтре напряжение на нагрузке меньше минимального значения входного напряжения, поэтому потери среднего значения выпрямленного напряжения больше, чем в LC фильтре. Поэтому при больших пульсациях входного напряжения транзисторные фильтры менее экономны, чем LC фильтры.

Тиристоры. Управляемые выпрямители.

Приборы с четырехслойной структурой р-п-р-п представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в толще полупроводниковой пластины смежных слоев с различными типами проводимости. Основу такого прибора составляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной р и электронной n проводимостями рис. l. Эти четыре слоя образуют три р-п перехода J1,J2, J3. Выводы в приборах с четырехслойной структурой делаются от двух крайних областей (р и n), а в большинстве приборов - и от внутренней области р.

Рис. 1. Структура динистора (а) и его схематическое изображение (б)

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры - симисторы.

Динисторы

Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p/n-перехода. Крайняя область Р называется анодом, а другая крайняя область N -катодом. Структура динистора приведена на рис.1. Три p-n-перехода динистора обозначены как P, N, P и N- Схематическое изображение динистора приведено на рис. 1

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие приведена на рис.2. При таком соединении коллекторный ток первого блока является током базы второго, а коллекторный ток второго блока является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Рис. 2. Деление динистора на две структуры

Режим работы динисторов хорошо иллюстрируется их статическими вольт-амперными характеристиками, из которых можно получить представление об основных параметрах этих приборов. На рис. 3 приведена типовая вольт-амперная характеристика динистора. Область характеристики при положительных анодных напряжениях образует прямую ветвь, а при отрицательных - обратную ветвь характеристики. На характеристике можно выделить четыре участка, обозначенные на рис. 3 арабскими цифрами, каждый из которых соответствует особому состоянию четырехслойной полупроводниковой структуры. Участок 1 характеристики соответствует закрытому состоянию (в прямом направлении) динистора. На этом участке через динистор протекает небольшой ток Iзс -ток прибора в закрытом состоянии. В закрытом состоянии сопротивление промежутка анод-катод прибора велико и обратно пропорционально значению тока Iзс. В пределах участка 1 увеличение анодного напряжения мало влияет на ток, пока не будет достигнуто напряжение (точка а характеристики), при котором в четырехслойной полупроводниковой структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока, и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке а характеристики, называется напряжением переключения Uпри, а ток, протекающий при этом через прибор,-током переключения I_при.

Рис.3 Статические вольт-амперные характеристики динисторов

В процессе переключения динистора в открытое состояние незначительное увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так как составляющие транзисторы переходят в режим насыщения (рис. 3). Сопротивление динистора в пределах участка 2 становится отрицательным.

Участок 3 вольт-амперной характеристики соответствует открытому состоянию прибора. В пределах этого участка все три р-п перехода полупроводниковой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напряжение, приложенное к прибору, может создать большой ток Iос в открытом состоянии, который при данном напряжении источника питания практически определяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе-напряжение в открытом состоянии U ос, как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наибольшего постоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме, то, как обычно в полупроводниковых структурах, он определяется площадью р-п перехода и условиями охлаждения прибора.

Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток Iпр будет больше некоторого минимального значения-удерживающего тока Iуд (точка б на характеристике). При снижении тока до значения Iпр < Iуд динистор скачком возвратится в закрытое состояние.

Таким образом, динистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Первое (участок 1) характеризуется большим напряжением на приборе (Uзс) и незначительным током '(Iзс), протекающим через него, а второе (участок 3) -малым напряжением на приборе (Uос) и большим током (Iос). Рабочая точка на участке 2 вольт-ампердой характеристики находиться не может. Участок 4 характеризует собой режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратной полярности Uобр (плюс к катоду, минус к аноду), - непроводящее состояние в обратном направлении. Режим полупроводникового прибора с четырехслойной структурой при подаче напряжения обратной полярности определяется запирающими свойства­ми р-п перехода J1 (рис. 1). Таким образом, обратная ветвь вольт-амперной характеристики фактически определяет режим перехода J1, включенного в обратном направлении, и имеет такой же вид, как и обратная ветвь, характеристика обычного кремниевого диода. Обратный ток I_обр мал и примерно равен теку в закрытом состоянии. Если увеличивать (по абсолютному значению) 'напряжение Uoбp, то при некотором его значении Uпроб, называемым обратным напряжением пробоя (точка а на участке 4), наступает пробой перехода I1, который может привести к разрушению прибора. Поэтому подавать на полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой даже на короткое время обратное напряжение, близкое к Uпроб, недопустимо. Наибольшее обратное напряжение, которое может выдерживать прибор, указывается в его паспортных данных и при эксплуатации не должно превышаться.

Тиристор

Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Структурная схема тиристоров представлена на рис. 4.

Рис. 4 – Структурная схема тиристора: а – с катодных управлением; б - УГО тиристора с катодным управлением; в – с анодным управлением; УГО - тиристора с атодным управлением

В тиристоре в отличие от динистора есть еще и третий электрод «управляющий». Через него подается ток который приводит к уменьшению закрытого p-n перехода и соответственно к уменьшению напряжения включения тиристора по сравнению с динистором. В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис. 4. Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис. 5. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

Рис. 5. Вольт-амперные характеристики тиристора

При включении тиристора током управления после подачи импульса тока I_у в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 6. Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки t_зд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления I_у. При достаточно большом токе управления время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1...2мкс).

Рис. 6 Временные диаграмма процесса включения тиристора

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения Uпpo на тиристоре и прямого тока Iпр через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда Iу, длительность t_ипм, скорость нарастания dIy/dt отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания Iауд.

После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора.

Симистр

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив­ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6.8 а, а его схематическое обозначение на рис.7. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 8

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления.

Рис. 7 Структура симметричного тиристора (а) и его схематическое изображение

Рис. 8 Вольт-амперная характеристика симистора

Выпрямительные схемы построенные на основе тиристоров

На рис. 9 представлена мостовая схема тиристорного выпрямителя.

Рис.9. Однофазный мостовой выпрямитель

Принцип работы выпрямителя на основе тиристоров не отличается от работы не управляемых выпрямителей. Отличием в работе выпрямителей является тот факт, что при положительном полупериоде включение тиристора происходит не в момент перехода напряжения через 0, а в момент прихода управляющего сигнала. Так задержка в фазе прихода управляющего сигнала называется «углом управления» a рис. 10

Рис. 10 Временная диаграмма напряжения и тока через тиристоры при активной нагрузке при угле управления a больше 0

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

Среднее значение выходного напряжения (рис.10):

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле;

Максимальные значения напряжений на вентилях:

Максимальное значение токов вентилей:

Анализ временных диаграмм показывает, что при активной нагрузке схеме тиристорного выпрямителя имеет плохие качественные и мощностные характеристики. В связи с этим на практике получили широкое применение тиристорные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой. Такая схема показана на рис. 9 ключ S отключен.

Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени .

При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю.

При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях, равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда или . В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности, а постоянная – на сопротивлении.

Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол относительно моментов их естественного включения , длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети.

При ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом, прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол. Сдвиг тока относительно напряжения на угол приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения (рис.4).

Рис.4. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и

Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от до, среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле

Согласно (1) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при . В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1, 2].

Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на πрис.5 кривая 2.

Рис.5. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Если величина невелика и такова, что энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом . Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис.6).

При одинаковых значениях угла a среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку.

Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис.5.

Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.

Очевидно, что чем больше угол a, тем больше должна быть индуктивность , чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током. Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической.

При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла, индуктивность обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.

Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения

,

Рис.6. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов

характеризующегося углом

Пока

,

режим непрерывен, а при

ток имеет прерывистый характер.

В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Ток вентиля в прерывистом режиме

.

Из последнего выражения видно, что когда, ток, т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол [1, 2].

Обозначив угол протекания тока через вентиль равным и подставляя в выражение

,

получим уравнение

,

дающее зависимость между углами и.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях

.

Дата добавления: 2014-01-04