Схемы выпрямления с умножением напряжения

Для маломощных выпрямителей

Позволяющие получать напряжение в n- раз превышающие Е_{2 maх}

Принцип: Заряд С через соответствующий диод

Схема Латура

Симметричная схема удвоения

0-π - полярность без скобок

V₂ открывается в момент когда Uc₂=e₂

C₂- заряжается в течении λ, затем медленный разряд на R_d

π-2π -полярность в скобках

V1- открывается в t₃,заряжается С₁

R_d –подключен к С₁ и С₂ соединенными последовательно, поэтому при х.х. U_do=2E_2maх=2.82 E₂

Для нормальной работы

постоянная разряда τ=R_dC₁=R_dC₂>>2π

Пульсации кратны частоте сети f_n=2f_c

Обратное напряжение Uв_обрмах=U_do

Несимметричная схема умножения

0-π е₂ без скобок С₁ –заряжается при

открытом V₁ -t₁-t₂ до Uc₁=E_2maх-далее разряд

π-2π е₂ (в скобках) в момент t₃-t₄открыт V₂ и С₂ заряжается под действием ЭДС е₂+Uc₁≈2E_2maх

После чего разряд

U_d=Uc₂=2E_2maх

Частота пульсаций f_n=2f_с

С₁=4С₂

 

Дальнейшим развитием несимметричного удвоителя является умножитель с добавлением цепочки из С и Д

Схема умножения в n-раз

U_{обр мах}=2 Е_2m

Схема второго рода

недостатки:

С увеличением числа каскадов внутреннее сопротивление источника возрастает.

Схема умножения первого рода

Напряжение на нагрузку снимают с одного конденсатора (делитель напряжения)

1-й полупериод е₂-без скобок

заряд С1 через V1 U_c1= E_2m

2-й полупериод + → С1→V2→ C2→ - U_c2=2E_2m

3-й полупериод + → С2→V3→ C3→ - U_c3=(U_c2+E_2m)=3E_2m и т.д.

U_н=U_ci=pE_2maх

U_{d обр}=2E_2m

Конденсаторы выбираются таким образом, чтобы запасенная энергия в них была одинакова

Тогда

Чем больше коэффициент умножения, тем на меньший ток нагрузки она расчитана

I_dмах удвоения≤ 20-30мА

Учетверения < 10мА

5-6 раз < несколько мА

 

Сглаживающие фильтры

 

Пульсации выходного напряжения выпрямителя

Uвых выпрямителя- пульсирующая форма- частота и амплитуда пульсаций зависит от схемы и определяется величиной gm₂,

где g- число g=1-для схем с 0

g=2 для мостовых

m₂ –число вторичных фаз тр-ра

однофазная однополупериодная

 

однофазная нулевая g=1 m₂=2

мостовая g=2 m₂=1

 

3-х фазная с 0

3-х фазная мостовая

 

Видно, что с ростом gm₂- амплитуда пульсаций уменьшается, частота пульсаций увеличивается, т.е. качество Uвых- улучшается. Число (частота) пульсаций на выходе за период называется пульсностью gm₂ схемы.

 

В общем случае кривая Uвых несинусоидальна, поэтому качество Uвых оценивается коэффициентом пульсаций- отношение амплитуды 1-й гармоники Uвых к среднему Ud Кп₍₁₎=Um₁/Ud

Необходимо определить Um₁- мгновенное значение Ud разложить в ряд Фурье

f(t)=Ao+Ak sin kwt+Bk coskwt

 

к-номер гармоники перейдем к нашей функции Ud= E₂cosυ

Тогда амплитуда к-той гармоники

Если К=1 то

Тогда коэффициент пульсаций

Если gm≠1, т.е. для однополупериодной схемы не применимо

 

Аналогично коэффициент пульсаций по току

 

Параметры сглаживающих фильтров

Ф-фильтр предназначен для сглаживания пульсаций до требуемого уровня

Принцип

- пропускает постоянную составляющую Ud и задерживает ~

Коэффициент пульсаций на входе

Кп_вх=Um₂/Ud

Коэффициент пульсаций на выходе

 

Кп_вых=Um₂´/Ud´

Тогда оценить эффективность сглаживающего фильтра можно по его способности уменьшить пульсацию, т.е. по значению

 

Коэффициента сглаживания S

λ=Ud/Ud׳>1 –коэффициент передачи постоянной составляющей (определяет потери в фильтре)

Кф=Um₂/Um₂’<< 1 коэффициент фильтрации(во сколько раз уменьшилась амплитуда пульсаций)

Коэффициент передачи для выпрямителей большей мощности λ=0,99, малой λ≈0,91-0,95 без потерь λ=1

Тогда S≈Кф= Um₂/Um₂’

 

Расчет фильтра

Прямая задача: при заданном фильтре рассчитать S

коэффициент сглаживания

Обратная задача: расчет параметров фильтра при заданном S

Индуктивность как фильтр

Индуктивность вкл.последовательно с нагрузкой

Принимая Rф≈0, тогда

Ud’=Ud-IdRф=Ud=>λ=1

Тогда S= Um₂/Um₂’, частота пульсаций

f_п=gm₂f_c, тогда Хd=gm₂ω_cLd

 

 

=>

 

 

1.Коэффициент сглаживания S увеличивается при Rd ↓ и Id ↑,т.е. фильтр эффективен при низкоомной нагрузке в сильноточных выпрямителях.

Минус-Перенапряжения при отключении нагрузки.

Емкость как фильтр

Принцип сглаживания. С имеет малое сопротивление для ~ составляющей тока Хс=1/ω_пС и она замыкается через С.

U_c=U_о

Расчет необходимой емкости конденсатора в микрофарадах при заданном коэффициенте сглаживания можно определить по приближенной формуле

 

Выводы:

С- работает эффективно при высокоомной нагрузке Rd → ∞, в противном случае величина С очень большая.

Более точная методика определения С должна учитывать угол 2 (угол отсечки)

 

Н=f(A)

 

Г-образный фильтр

тогда

Выбор L и C производится из других требований. Методами оптимизации

Обычно L выбирают из условия непрерывного тока

- эффективность фильтра не зависит от Rd

 

Многозвенные фильтры

Общий коэффициент сглаживания есть произведение коэффициентов сглаживания его звеньев

Sc=Sc₁ ^. Sc_2L LC=

 

Резонансные фильтры

А)фильтры пробки

используют вместо дросселя в LC-фильтре, что позволяет усилить сглаживающее действие фильтра для определенной гармоники

Кф=1+Zр ^. Yо

Т.е. Zр>>Х_L (в LC-фильтре).

Применяя последовательно ряд фильтров пробок, каждая из которых настроена на свой резонанс, можно осуществить фильтрацию нескольких гармоник

Б) режекторные фильтры вместо С (в LC)

Кф= Z ^. Yр=Ζ/Ζр Ζр=R_L+Rc

для каждой гармоники свой.

недостатки:

1.индивидуальная настройка каждого фильтра

2.уменьшение Кф при изменении частоты источника питания

3.изменение тока нагрузки приводит к расстройству резонанса

Активные фильтры

Принцип: Нелинейность ВАХ тр-ра. Зависимость Iк от Uкэ такова, что тр-р обладает весьма большим сопротивлением ~ току (динамическим сопротивлением).

Включение нагрузки в коллекторную цепь вызывает усиление пульсаций, которые учитываются в цепи нагрузки в виде ЭДС αRк Iэ

Включение Rэ снижает эту ЭДС

Сб и Rб ослабляют переменную составляющую на входе трансформатора

Коэффициент сглаживания

S=λ ^. Кф≈ r_к gm₂ωСвых : 1.увеличивается коэффициент усиления

2.минимальное влияние нагрузки

3.безиндукционные фильтры

а_о- статический коэффициент усиления

α-динамический коэффициент усиления

Udk≈(1.5-3) Ud_min +Кп₍₁₎Ud-напряжение на коллекторе

Ud_min –напряжение насыщения тр-ра, пропорционально току Idк

Rэ=0,25(1-α_о) Rб

Фильтр с фиксированным смещением. Он может работать только при небольших колебаниях t (10-20^оС). Требуется индивидуальная настройка режима для каждого тр-ра.

Если применить фильтр с автоматическим смещением, то коэффициент сглаживания в 2 раза меньше

Гираторы

Это RC-цепь, включенная в о.с. усилителя таким образом, чтобы имитировать катушку индуктивности.

Выбрать R₂=Rмин нагрузки ОУ

R₁>>R₂ (но не > 200R₂)

R₁< 0.1Rвх ОУ

Задать L и используя соотношение L=R₁R₂C и найти С

Добротность гиратора можно рассчитать по формуле