Выпрямители с удвоением напряжения

В устройствах, где необходимо создать высокий потенциал с малой нагрузкой применяются схемы с удвоением напряжения (умножением) рис. 9. В первый полупериод ток заряжает конденсатор С1 до напряжения , во второй полупериод ток заряжает конденсатор С2 до такого же напряжения. Общее напряжение, действующее на конденсаторах, равно сумме напряжений, действующих на С1 и С2

.

При бесконечно большом сопротивлении нагрузки общее напряжение на конденсаторах стремится к удвоенному значению напряжения вторичной обмотки

,

где – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

ТРЁХФАЗНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Одной из лучших схем трёхфазного выпрямления является схема, предложенная. А.Н.Ларионовым (рис.10). По принципу работы она является мостовой двухтактной схемой. В этой схеме в каждый момент времени ток проходит через нагрузку и те два вентиля, к которым приложено наибольшее напряжение. Например, в интервале времени t₁-t₂ ток проходит через вентиль 1, резистор R_Н и вентиль 4, так как к вентилям 1 и 4 приложено линейное напряжение U_ав,которое в рассматриваемый интервал времени больше других линейных напряжений.

В момент времени t₂-t₃ наибольшим будет линейное напряжение U_ac, поэтому ток будет проходить через вентиль 1, резистор R_H и вентиль 6. В следующие интервалы времени работать будут вентили 3 и 6, 3 и 2, 5 и2 и т.д. Направление тока через нагрузку R_H остаётся одним и тем же.

На рис.11а приведены временные диаграммы напряжений, действующих на зажимах вторичной обмотки трёхфазного трансформатора. На рис.11б приведены кривые выпрямленных напряжений и токов в цепи нагрузки R_H.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Обратное напряжение , т.е. обратное напряжение примерно равно среднему выпрямленному напряжению.

a

Большим преимуществом подобной схемы по сравнению с другими является малая пульсация выпрямленного тока (к = 0,057), что в ряде случаев позволяет обходиться без фильтров. Частота пульсации в шесть раз больше частоты тока сети, т. е. обратное напряжение примерно равно среднему выпрямленному напряжению.

б

Недостатком её является постоянное присутствие в цепи нагрузки двух последовательно включенных вентилей, что, как и в однофазной мостовой схеме, влечет за собой увеличение потерь в вентилях и снижение КПД установки.

в

Применяется трёхфазная мостовая схема для получения постоянного напряжения в установках большой мощности.

г

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Простейшими сглаживающими фильтрами являются фильтры, состоящие либо из одной индуктивности, включённой последовательно с нагрузкой рис.12а, либо из одной ёмкости, включённой параллельно нагрузке рис.12б.

Работа этих фильтров основана на накоплении энергии в магнитном поле катушки индуктивности или электрическом поле конденсатора во время увеличения напряжения U₀ на нагрузке R_H с последующей её отдачей в цепь.

Для лучшего сглаживания пульсаций необходимо, чтобы индук­тивное сопротивление дросселя было значительно больше, чем соп­ротивление нагрузки, а ёмкостное сопротивление конденсатора значительно меньше, чем сопротивление нагрузки,

Индуктивный фильтр обеспечивает хорошее сглаживание пульсаций при малых сопротивлениях нагрузки, т.е. при больших токах, поэтому его применяют главным образом, в мощных выпрямитель­ных установках.

Ёмкостный фильтр обеспечивает хорошее сглаживание пульса­ций при больших сопротивлениях нагрузки, т.е. при малых токах, поэтому его применяют, главным образом, в выпрямительных уста­новках малой мощности.

Рассмотренные выше простейшие фильтры не могут обеспечивать хорошей фильтрации, поэтому на практике применяются различные схемы, в которых индуктивности и ёмкости используются вместе.

Рис. 13. Схема Г-образного фильтра

Наиболее простым является Г-образный фильтр, изображённый на рис.13. Он состоит из дросселя и конденсатора, причём первым (входным) элементом является индуктивность. Если вы­полняется условие X_С<<R_H<<X_L то дроссель и конденсатор при совместном включении использу­ется значительно лучше, чем каждый из элементов схемы. Это приводит к значительному уменьшению пульсаций выпрямленного тока. Очень большое распространение получил П-образный фильтр, который можно рассматривать как сочетание двух простых фильтров: ёмкостного, состоящего из конденсатора С₁ и Г-образного, состоящего из дрос­селя L и конденсатора С₂. В тех случаях, когда необходимо получить низкий коэффициент пульсаций, применяются сложные многозвенные фильтры, состоящие из нескольких последовательно соединенных Г-образных звеньев.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1.

Изучите стенд для сборки различных схем выпрямителей. Соберите на стенде схему однополупериодного выпрямителя без фильтра. Соеди­ните клеммы выхода выпрямителя с вертикальным входом осциллогра­фа. Меняя усиление по вертикали, доведите размах электронного луча до 5 - б см. (конденсаторы C₁ и С₂ и дроссель L отключены). К сопротивлению нагрузки подведено напряжение U. Осциллограмму зарисуйте.

а.) Соберите на стенде схему однополупериодного выпрямителя, подключите емкостный фильтр, затем индуктивный, Г-образный (C₁L), П-образный (C₁LC₂) В каждом случае зарисовывайте осциллограмму. Сделайте сравнение осциллограмм выпрямленного тока с включенны­ми фильтрами и без фильтров.

Задание 2.

Соберите на стенде схему двухполупериодного однотактного выпрямителя. Получите те же осциллограммы, что и в предыдущем задании: работа выпрямителя без фильтра, с С-фильтром, с L-фильтром, с Г-образным и П-образным фильтрами. Зарисуйте их.

Задание 3.

Соберите на стенде схему с удвоением напряжения без филь­тра. Включите сопротивление нагрузки 2,15 кОм, и затем 4,3 кОм. Измерьте напряжение на выходе и сравните, их в обоих случаях. Отключив, сопротивление нагрузки, измерьте напряжения U₂, U_C1, U_C2, U_ВЫХ. Проверьте соотношение напряжений.

Задание 4.

Соберите мостовую схему выпрямителя. Проделайте то же, что и в задании 2. Сравните полученные результаты.

Задание 5.

Соберите схему трёхфазного выпрямителя. В качестве нагруз­ки включите реостат. Подключив осциллограф, проверьте частоту пульсаций выпрямленного тока.

ВНИМАНИЕ

Осциллограф реагирует только на переменную составляющую. Чтобы можно было сравнить результаты отдельных заданий, уси­ление по вертикали и горизонтали во время работы не меняйте. По окончании работы оформить отчет согласно заданиям.

ОПИСАНИЕ СТЕНДА

Стенд (рис. 15) предназначен для сборки однотакт­ной, од­но- и двухполупериодной схем выпрямите­лей, а также схемы с удвоением на­пряжения. Кроме того, имеются конденсаторы и дроссель для сборки сглаживающих фильтров различ­ного вида. Схемы собираются при помощи штекеров на гибких проводах.

ВНИМАНИЕ

Чтобы не произошло короткого замыкания трансформатора и вы­хода из строя полупровод­никовых вентилей, внимательно следить за правильностью их включения (как показано на схеме).

Во избежание поражения током перед сборкой очередной схемы обязательно обесточивать её тумблером К.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Охарактеризуйте работу каждого из рассмотренных видов выпрямителей.

2.Как работает полупроводниковый вентиль?

З.Чему равно обратное напряжение для различных схем выпрямителей?

4.Что такое схема с удвоением напряжения? Как она работает?

5.Как работает трёхфазный выпрямитель?

6.Что надо понимать под частотой пульсаций постоянной составляющей?

7.Как зависит частота пульсаций выпрямленного тока от выб­ранной схемы?

8.Что такое коэффициент пульсаций?

9.В чем заключается физический процесс выпрямления напряжения?