Теоретические пояснения

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Цели и задачи исследования

1. Ознакомиться с устройством, принципом действия, свойствами и основными параметрами полупроводниковых диодов.

2. Изучить различные схемы выпрямителей.

3. Исследовать однофазный и трёхфазный выпрямители, их свойства и характеристики.

Теоретические пояснения

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Выпрямители бывают неуправляемые и управляемые. В качестве вентильных элементов в неуправляемых выпрямителях используются чаще полупроводниковые выпрямительные диоды, в управляемых – полупроводниковые управляемые тиристоры.

В зависимости от числа фаз первичного источника питания (сети переменного тока) различают однофазные и трёхфазные выпрямители. По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные.

Напряжение на выходе любого выпрямителя носит пульсирующий характер. Для уменьшения пульсаций используют сглаживающие фильтры: емкостные, индуктивные или электронные. При необходимости поддержания напряжения на нагрузке постоянным в выпрямительное устройство включают стабилизатор напряжения. Структурная схема однофазного выпрямителя приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Здесь: Тр – трансформатор (служит для изменения напряжения сети до требуемого значения ); ВГ – вентильная группа; СФ – сглаживающий фильтр; СН – стабилизатор постоянного напряжения. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведённой структурной схемы, кроме вентильной группы.

Свойства вентильной группы определяются принципом работы полупроводникового диода. Полупроводниковый диод – это прибор с одним электронно-дырочным переходом, образованным двумя зонами с различными типами проводимости p – и n – типов.

При прямом включении диода сопротивление p-n-перехода резко снижается и возникает ток, создаваемый основными носителями заряда, который называют прямым, а переход в это время – открытым. При смене полярности напряжения на диоде сопротивление p-n-перехода становится большим, ток через него мал и обусловлен неосновными носителями заряда. Этот ток называют обратным, а p-n-переход – закрытым.

На рис. 8.2 показан диод и его вольтамперная характеристика (ВАХ).

Рис. 8.2

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение при определенном прямом токе ; максимально допустимый прямой ток ; максимально допустимое обратное напряжение (амплитудное значение); обратный ток , который нормируется при определённом обратном напряжении .

Однофазные выпрямители выполняются с однополупериодным выпрямлением переменного напряжения (рис. 8.3) и с двухполупериодным выпрямлением, схемы которых представлены на рис. 8.4 и 8.5. Схемы трёхфазных выпрямителей показаны на рис. 8.6 и 8.7.

Рис. 8.3

Рис. 8.4

Ток в нагрузочном резисторе имеет пульсирующий характер, представляющий совокупность постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая тока нагрузки равна

,

где – постоянная составляющая напряжения нагрузки, равная среднему значению выпрямленного напряжения за период.

Постоянная составляющая напряжения нагрузки при питании от однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 8.3)

.

Рис. 8.5

Постоянная составляющая напряжения нагрузки при питании от однофазного двухполупериодного выпрямителя (рис. 8.4, 8.5).

.

Напряжение на нагрузке при двухполупериодном выпрямлении в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении.

Значительно меньше пульсации и соответственно большее среднее значение имеют ток и напряжение на нагрузке при питании от трёхфазного выпрямителя с однополупериодным выпрямлением (рис. 8.6), для которого

.

Еще в большей степени улучшаются эти показатели в трехфазном выпрямителе при двухполупериодном выпрямлении (рис. 8.7).

Сглаживающие фильтры, как уже было отмечено, применяются для уменьшения пульсаций напряжения и тока в нагрузке. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют чаще индуктивные катушки (рис. 8.8а) и конденсаторы (рис. 8.8б), реактивные сопротивления которых зависят от частоты изменения напряжения источника.

Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное изменение постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление увеличивается с ростом частоты, поэтому выбирают катушку таким образом, чтобы .

а) б)

Рис. 8.8

У конденсатора сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты, поэтому выбирают конденсатор такой емкости, чтобы .

Одним из основных показателей фильтра является коэффициент сглаживания, определяемый отношением коэффициента пульсаций напряжения на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра .