В предыдущем уроке 8 был изучен принцип действия полупроводникового диода и рассмотрена схема однополупериодного выпрямителя и однополупериодного детекторного каскада.
Двухполупериодный выпрямитель
С целью использования обоих полуволн переменного напряжения возникает мысль объединить 2 однополупериодных выпрямителя в один, как на рисунке ниже.
Буквами Н и К обозначены соответственно начало и конец двух одинаковых вторичных обмоток. 2 параллельно соединенных сопротивления нагрузки эквивалентны одному сопротивлению нагрузки, а соединение конца верхней обмотки с началом нижней равнозначно обмотке с двойным числом витков и отводом от середины.
Схема двухполупериодного выпрямителя ниже, это перекомпонованная вышеприведенная схема.
Конец верхней обмотки совмещен с началом нижней, что означает общую обмотку с отводом посередине.Графики напряжений на рисунке ниже.
Выпрямленное напряжение при работе на чисто активную нагрузку равно уже не 0,45 от эффективного значения входного напряжения, а вдвое выше, 0,90 от входного напряжения.
При подключении к выходу выпрямителя конденсатора фильтра большой емкости Сф получаем представленную ниже схему.
Здесь, как и в схеме однополупериодного выпрямителя, максимально возможное выходное напряжение равно амплитуде входного напряжения или 1,41 от значения действующего входного напряжения.
Другое преимущество двухполупериодного выпрямителя - отсутствует нежелательное подмагничивание магнитопровода силового трансформатора Тр постоянным током.
Недостаток - необходимость выполнения вторичной обмотки с отводом, чего можно избежать, применив мостовую схему выпрямления (наверняка самую часто используемую).
Мостовая схема выпрямителя (схема Греца)
Здесь также выходное напряжение при работе на активную нагрузку равно 0,90 от переменного, а на емкостную - до 1,41 от переменного.
Если частота пульсаций выпрямленного напряжения у однополупериодного выпрямителя равна частоте сети (50 Гц), то у двухполупериодного и мостового выпрямителей - удвоенной частоте сети (100 Гц). Соответственно, при выпрямлении переменного напряжения частотой 400 Гц частота пульсаций составит 800 Гц и т.п.
Это приводит к тому, что при одинаковой емкости конденсатора на выходе выпрямителя коэффициент пульсаций в 2 раза меньше, чем у однополупериодного выпрямителя, соответственно коэффициент подавления пульсаций в 2 раза меньше у последующего RC-фильтра и в 4 раза меньше у LC-фильтра.
Тем самым, заменив в схеме однополупериодного выпрямителя с П-образным фильтром на выходе (2 конденсатора и дроссель) 1 диод на мост из 4 диодов, получаем уменьшение пульсаций в 8 раз, или при прежних требованиях к пульсациям становится возможным использовать конденсатор в 8 раз меньшей емкости.
Типы диодов разработчики схемы выбирают исходя из характеристик диодов из даташита (технической документации) - максимальный прямой постоянный ток и максимальное постоянное обратное напряжение, и расчетных требований к ним - по току нагрузки выпрямителя и обратному напряжению диодов в схеме.
В случае необходимости диоды размещаются на радиаторах для лучшего теплоотвода.
Специально для мостовых выпрямителей выпускаются блоки из 4 диодов в одном корпусе.
Умножитель напряжения
Иногда возникает необходимость получить большое напряжение, не располагая источником переменного напряжения, достаточного для работы однополупериодного или мостового выпрямителя, и желая обойтись без повышающего трансформатора.
В подобном случае может пригодиться схема выпрямителя с умножением, каковых существует несколько типов. Ниже схема однополупериодного последовательного выпрямителя с умножением напряжения, в качестве примера 6-каскадного (6-звенного).
Выпрямитель считается умножителем напряжения в N раз, где N - число диодов и конденсаторов в схеме умножителя. Тем самым, при усложнении схемы значение выходного напряжения ничем не ограничено, на практике создают умножители на напряжения до 150 кВ.
Если в умножителе используется нечетный коэффициент умножения, для подключения нагрузки используются конденсаторы, расположенные в верхней части схемы. При четном, наоборот, задействуются нижние конденсаторы.
По факту, при отсутствии нагрузки выпрямленное напряжение на выходе достигает амплитуды переменного напряжения на входе, увеличенной в N раз. При этом напряжение на конденсаторе С1 равно амплитуде входного напряжения (1,41 значения действующего напряжения), а на всех прочих конденсаторах вдвое выше.
При расчете выпрямителя емкости всех конденсаторов берутся одинаковыми, с расчетом на то, что реактивное сопротивление конденсаторов должно быть в десятки и сотни раз меньше сопротивления нагрузки.
Нагрузку подобный выпрямитель держит очень плохо, его внутреннее сопротивление составляет от нескольких единиц до сотен от реактивного сопротивления одного конденсатора и растет с ростом коэффициента умножения (числа каскадов, звеньев). Тем самым, требуемая емкость конденсаторов растет с ростом числа звеньев умножителя и требуемым током нагрузки.
Трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова
Схем выпрямителей трехфазного напряжения много, нам же в основном приходится встречаться со схемами питания РЭА от однофазной сети переменного тока 220 В.
Но электрооборудование современных транспортных средств переведено с работы от генератора постоянного тока с релейным реле-регулятором напряжения генератора на работу от более надежного трехфазного генератора с электронным реле-регулятором и выпрямителем для зарядки аккумулятора и питания бортового электрооборудования через выпрямитель по схеме Ларионова.
В схеме Ларионова снижаются требования к фильтру, также существенно повышается эффективность фильтрации выпрямленного напряжения обычными схемами фильтров питания (RC и LC, П-образным и пр.), поскольку частота пульсаций выпрямленного напряжения равна 6-кратной частоте сети, т.е. в 3 раза выше, чем в однофазной мостовой схеме. Коэффициент пульсаций при этом равен 0,057 против 0,67 для мостовой схемы и 1,57 для однополупериодного выпрямителя.
Как следует из схемы выше, в автомобиле фильтр после выпрямителя не предусмотрен. Графики напряжений в схеме Ларионова ниже.
Работа системы автоматического регулирования САР (левая часть схемы), основанной на принципе отрицательной обратной связи (ООС) будет рассмотрена в последующих уроках.
Последовательное и параллельное включение диодов
Не удивляйтесь, встретив одну из известных вам схем выпрямителей с последовательным включением диодов в одной ветви, как на схеме ниже. Это делается, если 1 диод по максимальному постоянному обратному напряжению не соответствует этому напряжению в схеме, и последовательно включают несколько однотипных диодов, а включение параллельно диодам шунтирующих сопротивлений Rш способствует выравниванию обратных напряжений (которые без шунтирующих резисторов отличаются вследствие разброса характеристик диодов).
Цепь выше соответствует одному диоду с утроенным максимальным постоянным обратным напряжением.
При необходимости добиться от выпрямителя большего тока, чем может обеспечить схема с одним диодом, диоды соединяют параллельно, как на схеме ниже. Но при этом, чтобы токи распределялись между диодами равномерно, последовательно с диодами включают балластные резисторы Rб. Без балластных резисторов диоды начнут один за другим выходить из строя вследствие перегрузки, поскольку ток нагрузки будет распределяться между ними неравномерно.
Защита переключателей (механических и электронных) от пробоя в цепях с индуктивностями
В предыдущем уроке 3 мы выяснили, что при размыкании цепи с индуктивностью через размыкающийся контакт проскакивает искра с напряжением свыше 1000 В, что приводит к пробою электронных схем и износу механических переключателей.
Для защиты схем постоянного тока параллельно индуктивности включают п/п диод в обратном направлении (рисунок ниже, слева). При размыкании цепи диод открывается и пропускает через себя ток, препятствуя повышению напряжения на контактах переключателя.
Аналогично и для электронного ключа (2 рисунка выше в центре и справа). Иногда последовательно с диодом (для ограничения тока через него) включают резистор (рисунок выше в центре).
Для схем переменного тока диодную защиту использовать нельзя, там вместо диода используют искрогасящую цепь из последовательно включенных резистора Rv и конденсатора C, порядка 100 Ом и 0,05 мкФ, схема ниже применительно к включению электродвигателя переменного тока. К образованию искры при выключении двигателя приводит индуктивность обмоток двигателя L. Эту же схему допускается использовать и в цепях постоянного тока.
Схемотехника для начинающих