Двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема c выведенной средней точкой вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема.

а б

Рис. 4. Двухполупериодная схема с выводом средней точки (а)

и основные диаграммы (б)

 

Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рис. 4а) состоит из трансформатора , вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки и двух диодов и . Данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода (интервал 0 - p) диод будет открыт, так как к аноду диода приложен положительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки трансформатора, а катод через нагрузку подключен к среднему выводу вторичной обмотки, который имеет отрицательный потенциал. Через нагрузку будет проходить ток первого диода (см. рис. 4а). На этом же отрезке времени к диоду будет приложено обратное напряжение (с другой половины вторичной обмотки трансформатора) и он окажется закрытым. В течение следующего полупериода (интервал p - 2p) прямое напряжение окажется приложенным ко второму дио­ду, а обратное - к первому диоду, поэтому открытым будет диод и по нагрузке проходит ток.

Таким образом, ток в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение .

Основные параметры схемы:

· Среднее значение выпрямленного напряжения на нагруз­ке за период будет в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом (8)

, (23)

где действующее значение напряжения на одной из полуобмоток трансформатора.

· Среднее значение выпрямленного тока:

. (24)

· Максимальное обратное напряжение на диоде, например, на , определяется максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, так как к аноду диода приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный момент отрицательное, а к катоду, через диод ,который проводит ток, приложено положитель­ное напряжение нижнего конца вторичной обмотки. Используя (24), получим

. (25)

Следовательно, в двухполупериодной схеме макси­мальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение.

Если в данной схеме ток через каждый диод проходит только в течение половины периода, то в это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это означает, что среднее значение тока через диод в 2 раза меньше, чем среднее значение тока через нагрузку .

· Действующее значение токов, проходящих через первичную и вторичную обмотки трансформатора:

, . (26)

· Максимальное значение тока вентиля:

. (27)

· Среднее значение тока через диод равно половине тока нагрузки, так как в схеме поочередно проводят ток два вентиля:

. (28)

· Действующее значение тока вентиля:

. (29)

· Мощности обмоток трансформатора:

Для первичной обмотки:

, (30)

где .

Для вторичной обмотки:

. (31)

· Расчетная мощность трансформатора:

. (32)

· Коэффициент пульсаций:

. (33)

Из временных диаграмм (рис. 4б ) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети.

Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций k = 0,67, следовательно, рассмотренная схема дает более cглаженное выпрямленное напряжение, чем однополупериодная.

Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничивается, так как во время четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней части вторичной обмотки трансформатора, размагничивает сердечник трансформатора, который намагнитился во время нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки несинусоидален. Так как для получения выпрямленного напряжения необходим трансформатор со средним выводом вторичной обмотки, и каждая из половин вторичной обмотки работает только полпериода, то вторичная обмотка в этой схеме выпрямления используется не полностью, и коэффициент использования обмоток трансформатора ниже.

Сравнивая двухполупериодную схему выпрямления с однополупериодной, можно сделать следующие выводы:

· среднее значение тока диода уменьшается в 2 раза при одном и том же токе нагрузки,

· меньше коэффициент пульсаций (0,67),

· лучше используется трансформатор,

· обратное напряжение в обоих схемах одинаково.

Однако есть и недостатки: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора, а также наличие двух диодов вместо одного.

 

Мостовая схема.

Рис. 5. Принципиальная схема мостового выпрямителя

Пусть в некоторый момент времени переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора таково, что потенциал точки Авыше потенциала точки В. Тогда от точки А(«+» источника напряжения) ток будет проходить через диод к точке Г, далее через нагрузку к точке Би через диод к точке В(«-» источника напряжения). В течение следующего полупериода, когда потенциал точки Ввыше потенциала точки А, ток от точки Вбудет проходить через диод , нагрузку и диод к точке А. Для первого полупериода направление тока показано сплошными стрелками, для второго полупериода направление тока показано пунктирными стрелками. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.

Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной схемы. Для мостовой схемы (при активной нагрузке) справедливы соотношения:

· Среднее значение выпрямленного напряжения:

. (34)

· Максимальное обратное напряжение на вентилях:

. (35)

· Максимальное значение тока вентиля:

. (36)

· Среднее значение тока вентиля:

. (37)

· Действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

. (38)

· Коэффициент пульсаций:

. (39)

Выпрямленный ток в данной схеме, в отличие от двухполупериодной схемы со средней точкой, протекает во вторичной обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует намагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет уменьшить размеры и массу трансформатора.

Когда диод не проводит ток, к его аноду приложен положительный потенциал с верхнего конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый диод приложен отрицательный потенциал нижнего конца вторичной обмотки. Таким образом, в непроводящем направлении диод оказывается под напряжением вторичной обмотки трансформатора (35).

Т.е. обратное напряжение на мостовой схеме в 2 раза меньше, чем в двухполупериодной со средней точкой.

Преимущества мостовой схемы выпрямителя перед схемой со средней точкой:

· обратное напряжение, прикладываемое к неработающим диодам, в 2 раза меньше;

· конструкция трансформатора проще, так как не требуется вывода средней точки вторичной обмотки;

· возможность применения схемы без трансформатора, когда напряжение сети соответствует напряжению, которое должно быть приложено к мосту;

· габариты и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток.

Недостатком мостовой схемы следует считать наличие четырех диодов по сравнению с двумя диодами в схеме со средней точкой.

Трехфазные выпрямители.

Выпрямители трехфазного тока применяются, в основном, для питания потребителей средней и большой мощности. При этом они равномерно нагружают сеть трехфазного тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпрямителей наиболее простой является трехфазная схема с нулевым, выводом, представленная на рис. «а».

Рассмотрим работу этой схемы в случае чисто активной нагрузки. Как видно из рис. 6а,схема состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех вентилей и сопротивления нагрузки . Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, вторичная - только звездой. Катоды вентилей , и соединенные между собой, имеют положительный потенциал по отношению к нагрузке . На нулевой точке трансформатора - отрицательный потенциал.

Рис. 6. Принципиальная схема трехфазного выпрямителя (а)

и диаграмма напряжений на фазах (б)

 

Вентили в приведенной схеме работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух вентилей, т. е. когда соответствующее фазное напряжение будет положительным и больше двух других фазных напряжений. Например, в интервале времени - (рис. 6б), когда напряжение положительно, а напряжения и или отрицательны, или положительны, но имеют меньшее значение, чем напряжение , ток будет проходить по фазе а вторичной обмотки трансформатора через вентиль и нагрузочный резистор . В следующую треть периода в интервале времени - будет работать вентиль , так как его анод имеет более высокий положительный потенциал, чем аноды вентилей и . Ток будет проходить по фазе b вторичной обмотки трансформатора через вентиль и нагрузку. Причем через нагрузку он будет проходить в том же направлении, что и в предыдущую треть периода. После этого будет работать вентиль ,затем снова вентиль и т.д.

На рис. 6б видно, что пульсации напряжения на нагрузке значительно меньше, чем в схемах выпрямителей однофазного тока, и их частота в 3 раза больше частоты сети, что облегчает фильтрацию. Если применить схему с большим числом вентилей, то пульсации еще больше уменьшаются, и поэтому в некоторых случаях можно обойтись без сглаживающих фильтров.

Основные расчетные соотношения для трехфазного выпрямителя:

· Среднее значение выпрямленного напряжения (находится путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения):

, (40)

где - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

· Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

, (41)

где - амплитуда фазного напряжения.

· Максимальное значение тока вентиля:

. (42)

· Среднее значение тока, протекающего через вентиль:

. (43)

· Коэффициент пульсаций:

. (44)

 

3 Сглаживающие фильтры

 

При рассмотрении схем выпрямителей было установлено, что выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной и переменные составляющие. Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает пределы допустимых значений, на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания.

Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:

. (45)

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки (дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

Рис.7. Простейшие L -, C - фильтры

 

Для обеспечения хорошего сглаживания необходимо, чтобы индуктивное сопротивление фильтра (рис. 7 ), включенного последовательно с нагрузкой, было значительно больше сопротивления нагрузки на частоте пульсаций , т. е. >> . Так как активное сопротивление дросселя обычно невелико, то постоянная составляющая выпрямленного тока не создаст потерь постоянного напряжения, и постоянные напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равными .

Применение индуктивного фильтра выгодно при малых сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях малой мощности), так как в этом случае требуется небольшая индуктивность для получения необходимого коэффициента сглаживания.

При включении конденсатора параллельно нагрузке (рис. 7) для лучшего сглаживания пульсаций его емкостное сопротивление должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, т. е. << . Конденсатор заряжается через вентиль в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе. В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку.

В качестве конденсаторов фильтра обычно используют электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.

Широкое применение на практике находят Г - образные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 8).

При выполнении условия << << такие фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные и емкостные фильтры. Рис. 8

По заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение произведения по следующей формуле:

, (46)

где т - число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы т = 1, для двухполупериодных схем m = 2, для трехфазной m = 3); - угловая частота сети.

LC – фильтрбудет хорошо работать при >> , и ток через дроссель и нагрузку должен быть непрерывным. Для обеспечения этого необходимо иметь дроссель с минимальной индуктивностью

. (47)

Определив из (47) и подставив ее в (46), можно определить С _ф.

Более эффективным является П - образный фильтр. На рис. 9а показана схема такого фильтра, представляющего собой сочетание простейшего емкостного и Г - образного фильтров.

Для получения более высокого коэффициента сглаживания пульсаций необходимо увеличивать и , что приводит к увеличению габаритных размеров и масс дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты получаются с помощью сложных многозвенных фильтров, состоящих из нескольких последовательно соединенных Г - образных звеньев фильтра (рис. 9б ).

 

Рис. 9. П – образные фильтры

 

Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров:

. (48)

Обычно коэффициенты сглаживания отдельных звеньев принимают равными друг другу.

При небольших значениях выпрямленного тока (порядка 10 - 15 мА) и небольших значениях коэффициента сглаживания в целях удешевления и упрощения фильтра дроссель можно заменить активным сопротивлением. Тогда получится RC - фильтр(рис. 9в), для которого > :

. (49)

Сопротивление обычно принимают равным (0,2 - 0,3) , а конденсатор С _ф выбирают на напряжение, равное напряжению на нагрузке при холостомходе выпрямителя.

В и -фильтрах объем и масса дросселя становятся соизмеримыми с объемом и массой трансформатора. В фильтрах, использующих вместо дросселя транзистор масса и габариты значительно ниже и выходное сопротивление фильтра мало. Принцип действия таких фильтров основан на использовании особенностей выходной характеристики транзисторов. При выборе рабочей точки транзистора после перегиба выходной характеристики Сопротивление между коллектором и эмиттером постоянному току будет меньше, чем сопротивление переменному току, поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя в схеме фильтра. Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного, КПД транзисторных фильтров низок. При расчете выпрямителя надо учитывать характер сопротивления нагрузки, от которого во многом. Зависят расчетные соотношения. В реальных схемах выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает активным. Это связано с тем, что сглаживающий фильтр, включенный между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой реактивное сопротивление.

 

4 ТРАНЗИСТОРЫ

 

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n - переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя - противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя - дырочной, называются транзисторами n-p-n - типа. (рис. 10а). Транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями - p-n-p (рис. 10б). В транзисторе n-p-n - типа электрический ток создается в основном электронами, а в транзисторе p-n-p – типа - дырками. Смежный области, отделенные друг от друга p-n - переходами, называются эмиттером, базой и коллектором.

Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов (электронов) в транзисторе n-p-n - типа, коллектор - область, собирающая носители зарядов.

Рис. 10. Транзисторы n-p-n – и p-n-p – типов

 

В условиях работы транзистора к левому p-n - переходу прикладывается напряжение эмиттер - база U э в прямом направлении, а к правому p-n - переходу - напряжение база - коллектор U к - в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n - переход, переходит (инжектируется) в очень узкую среднюю область (базу). Далее, большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником U к. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи U к. Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса δ. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода. Данный коэффициент можно определить как отношение управляемого коллекторного тока к току эмиттера, созданного его основными носителями:

. (50)

Если увеличить напряжение , то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т.е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ∆ . При этом так же увеличится ток коллектора на величину ∆ .

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности и образует ток рекомбинации .

Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, в который входят три составляющие: ток рекомбинации, ток, обусловленный диффузией основных носителей базы через эмиттерный переход , и обратный коллекторный ток, который имеет противоположное направление относительно двух других составляющих базового тока:

. (51)

Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой. Т.о., ток коллектора окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение при U _к = const называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α = 0,9 ÷ 0,995.

Если цепь эмиттер - база разомкнута, и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение U _к, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный тепловой ток I _к0, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток сильно зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).

Так как левый (эмиттерный) p-n - переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n - переход воздействует обратное напряжение, и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением , создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение , в результате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

При работе транзистора в качестве усилителя входное переменное напряжение подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора .

Схемы включения.

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы включения (рис. 11).

 

а б в

Рис. 11. Схемы включения биполярных транзисторов

Рассмотрим особенности каждой схемы. На рис. 11а представлена схема с общей базой. В данной схеме входным током является ток эмиттера , а выходным - ток коллектора . Напряжение между эмиттером и базой является входным , а напряжение между коллектором и базой- выходным . Входным сопротивлением является сопротивление между эмиттером и базой . Поскольку эмиттерный переход находится в открытом состоянии, входное сопротивление схемы с общей базой мало (единицы - десятки Омов).

Рассмотрим усилительные свойства данной схемы.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления тока):

<1. (52)

Следовательно, схема с общей базой не обладает усилением по току. Коэффициент усиления напряжения:

(53)

Поскольку отношение значительно больше входного сопротивления, схема с общей базой способна усиливать входное напряжение.

Коэффициент усиления мощности определим как отношение мощностей:

(54)

Из полученного выражения также следует, что схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности, так как > . Отсутствие усиления тока, малый коэффициент усиления по мощности, а также небольшое входное сопротивление ограничивают применение данной схемы. Малое входное сопротивление не позволяет осуществлять каскадное включение, так как малое входное сопротивление последующего каскада оказывает шунтирующее действие на выход предыдущего каскада, в результате чего резко снижается усиление всего усилителя.

На рис. 11б представлена схема с общим эмиттером. В данной схеме входным током является базовый ток , а выходным током- коллекторный .

Входное сопротивление примерно на два порядка больше, чем в схеме с общей базой, так как

. (55)

Увеличение входного сопротивления позволяет собирать многокаскадные усилители, у которых каждый каскад собран по схеме с общим эмиттером.

Схема с общим эмиттером обладает усилением тока:

β>1. (56)

Коэффициент усиления напряжения в схеме с общим эмиттером такой же, как и в схеме с общей базой:

(57)

Однако схема с общим эмиттером кроме усиления изменяет форму выходного напряжения на 180°.

Поскольку схема обладает усилением по току и по напряжению, она имеет наибольший коэффициент усиления мощности:

(58)

Схема с общим коллектором представлена на рис. 11в. В этой схеме входным является базовый ток:

(59)

Выходным током служит ток эмиттера . Схема с общим коллектором обладает наибольшим усилением по току:

(60)

Входное сопротивление схемы с общим коллектором значительно превышает входное сопротивление рассмотренных выше схем:

(61)

Схема с общим коллектором не обладает усилением напряжения, так как

(62)

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напряжения равен примерно единице и выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Эмиттерный повторитель используется как каскад согласования между отдельными каскадами или между выходом усилителя и его нагрузкой. Коэффициент усиления мощности в схеме с общим эмиттером примерно равен коэффициенту усиления тока:

. (63)

Из выше сказанного следует, что любая из схем включения обладает усилением мощности. Это подтверждает то, что транзистор является активным (усилительным) прибором.