ППУ – особенности устройства и практического применения.

 

 

Применение полупроводниковых диодов.

 

На базе полупроводниковых выпрямительных диодов строятся схемы неуправляемых выпрямителей.

Выпрямителями называются устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного тока. Структурная схема выпрямителя представлена на рис. 11.

 

 

Силовой трансформатор – преобразует переменное питающее напряжение (необходимое напряжение, гальваническая развязка).

Вентиль – обладает односторонней проводимостью и обеспечивает преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного направления).

Сглаживающий фильтр – преобразует выпрямленный ток в ток близкий по форме к постоянному току.

Нагрузка – активная, активно-индуктивная, активно-емкостная, противоЭДС.

Выпрямители называются неуправляемыми, если величина напряжения на выходе выпрямителя (U _Н.СР) определяется только переменным напряжением U на его входе:

где – коэффициент пропорциональности, характерный для данной схемы выпрямления, называемый коэффициентом схемы выпрямления.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее выпрямленное напряжение U _Н.СР; номинальный средний выпрямленный ток ; коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ; частота пульсаций выпрямленного напряжения; внутренне сопротивление выпрямителя.

Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для классификации выпрямителей используют различные признаки и особенности их конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, тип сглаживающего фильтра и т. п.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.

По схеме включения вентилей различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением вентилей.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Однофазная мостовая схема

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

 

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Схема и временные диаграммы, поясняющие работу однофазного однополупериодного выпрямителя, представлены на рисунке 13.

 

 

 

Рис. 13.

 

 

Если входное напряжение изменяется по гармоническому закону , то на интервале полупроводниковый диод VD смещен в прямом направлении, следовательно, напряжение и ток на нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала.

На интервале диод смещен в обратном направлении. Выходное напряжение на нагрузке и ток равны нулю.

Спектральный состав выпрямленного напряжения, полученный в результате разложения однополупериодных импульсов выпрямленного напряжения, имеет вид:

 

,

 

 

где U _{Н.СР. =} - постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения);

 

К_СХ. = 0,45.

 

-основная гармоника выходного напряжения.

 

Коэффициент пульсации определяется отношением амплитуды основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения:

 

.

 

Однополупериодный выпрямитель имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, поэтому находит ограниченное применение.

 

Однофазная мостовая схема

 

Наиболее широкое практическое распространение получил однофазный мостовой выпрямитель, схема и временные диаграммы, поясняющие работу которого, представлены на рисунке 14.

 

 

Рис. 14.

 

Если входное напряжение изменяется по гармоническому закону , то на интервале оно смещает в прямом направлении включенные последовательно с нагрузкой диоды VD2 и VD3. При этом диоды VD1 и VD4 смещены в обратном направлении напряжением, приложенным к нагрузке . На интервале входное напряжение смещает в прямом направлении включенные последовательно с нагрузкой диоды VD1 и VD4. При этом диоды VD2 и VD3 смещены в обратном направлении напряжением, приложенным к нагрузке .

Спектральный состав выпрямленного напряжения, полученный в результате разложения однополупериодных импульсов выпрямленного напряжения, имеет вид:

 

 

U _{Н.СР. =} - постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения);

 

К_СХ. = 0,9.

 

-основная гармоника выходного напряжения.

 

Коэффициент пульсации определяется отношением амплитуды основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения:

 

.

 

Сглаживающие фильтры.

 

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке. Он должен пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и ослаблять его гармонические составляющие.

Наиболее простым является емкостной сглаживающий фильтр.

Включается параллельно сопротивлению нагрузки. Схема выпрямителя с фильтром и временные диаграммы, поясняющие работу схемы представлены на рисунке 15.

 

 

Рис. 15.

 

Начиная с момента времени мгновенное значение входного напряжения больше нуля, это приводит к открыванию диодов VD 2 и VD 3. Через эти диоды протекает ток, равный сумме тока нагрузки и тока заряда конденсатора:

 

.

 

До момента t ₂ мгновенные значения напряжений выходного u_c = u _н и входного u будут равны. После момента t ₂ напряжение u становится меньше u_c. Это вызовет запирание ранее открытых диодов VD 2 и VD 3 и отключение нагрузки от входного напряжения. Далее до момента t ₃ напряжение на нагрузке будет поддерживаться исключительно за счет заряда, накопленного в конденсаторе С _ф до момента t ₂. Разряд конденсатора происходит по экспоненциальному закону:

 

.

 

В момент t ₃ входное напряжение становится равным напряжению на конденсаторе и диоды VD 1 и VD 4 открываются. Начиная с момента времени t ₃ конденсатор заряжается от источника входного напряжения. Далее описанные выше процессы заряда и разряда конденсатора периодически повторяются.

Включение конденсатора параллельно к сопротивлению нагрузки приводит к снижению пульсаций выходного напряжения выпрямителя. Величину емкости конденсатора С _ф на практике выбирают так, чтобы при заданном сопротивлении нагрузки выполнялось соотношение:

 

.

 

При этом условии напряжение на конденсаторе в фазе разряда спадает относительно медленно.

В установившемся режиме степень пульсации напряжения на выходе выпрямителя можно оценить коэффициентом пульсации:

 

,

 

где U _{вых. max} – максимальное напряжение на выходе;

U _{вых. min} – минимальное напряжение на выходе;

U _н. – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке.

 

Применение стабилитронов.

 

На основе стабилитрона может быть построена схема простейшего стабилизатора напряжения.