Применение тиристоров для выпрямления и регулирования тока

Тиристоры широко используются для управления подачей мощности постоянного и переменного тока на различные типы нагрузок, а также в качестве пе­реключателей для включения и выключения цепей. Они также могут быть использованы для плавной ре­гулировки мощности, подаваемой на нагрузку. При использовании тиристоров малый ток управляюще­го электрода позволяет управлять большим током нагрузки.

                      

а                                                         б

Рис. 10. 17

   

На рис.10.17 показаны схема и принцип ре­гулирования среднего значения выпрямленного на­пряжения с помощью управляемого тиристора. Если управляющие импульсы U подаются в начале каж­дого полупериода, то напряжение U_n на нагрузке R будет таким же, как в обычной двухполупериодной схеме. Если же импульсы подавать в середине каж­дого полупериода, то импульсы выпрямленного напря­жения будут иметь длительность, равную четверти пе­риода и т.д.

                  

а                                                              б

Рис. 10. 18

 

На рис.10.18 изображена схема регулирова­ния напряжения (а) и диаграмма (б) для цепи переменного тока. Здесь в каждую половину периода ток проходит через одну пару диодов (без выпрямления) и через тиристор Т.

Подавая на тиристор управляющие импульсы U _у, можно превратить синусоидальное напряжение (и ток) в последовательность импульсов любой длительнос­ти, амплитуды и полярности, т.е. можно изменять дей­ствующее значение напряжения (и тока) в широких пределах.

 

Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменно­го тока позволяют получать выпрямленное, но пуль­сирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе прибо­ров. Для устранения пульсаций (сглаживания) при­меняют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i (t) на постоянную I₀ и переменную i составляющие (рис. 10.19). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная, замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Рис. 10. 19

 

Физическая сущность работы в фильтре конден­сатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обыч­но большой емкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов вып­рямленного напряжения и разряжается при их убы­вании, сглаживая тем самым его пульсации. Дрос­сель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямлен­ного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов за­держивает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дрос­сель можно рассматривать как некие резервуары энер­гии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки пре­вышает среднее значение, и отдают, когда ток стре­мится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.

Рассмотрим несколько подробнее емкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включен кон­денсатор С (рис.10.20).

Рис. 10. 20

 

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде D ₁) конденсатор зарядится (рис. 10.21, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на про­тивоположную, и диод закроется, отключив вторич­ную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис.10.21, б). Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном направлении, конденсатор разряжается через нагрузку. Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RC, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором.

Рис. 10. 21

 

Как только конденсатор начинает разряжаться, напряжение на нем уменьшается. Однако до того как конденсатор полностью разрядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся, и выходное напряжение фактически повысится. Чем больше емкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденсатор обеспечивает нагрузку током.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 10.22, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости C ₁ и С ₂, в нагрузку не проходят.

Рис. 10. 22

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 10.22, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 10.22, в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 10.22, г, д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC- или RC-фильтров (рис. 10.22, е).

 

Стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение блока питания может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение блока питания, что приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Во-вторых, может изменяться сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.

Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи. Следовательно, блок питания должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины, независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для того, чтобы этого добиться, после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.

Существует два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные. Их названия определяются методом их соединения с нагрузкой. Параллельный стабилизатор подключается к нагрузке параллельно. Последовательный стабилизатор подсоединяется к нагрузке последовательно. Последовательные стабилизаторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Последовательный стабилизатор также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник питания от короткого замыкания в нагрузке.

Рис. 10. 23

 

На рис. 10.23 показана регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный стабилизатор. Цепь, обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряжения проявляется в виде изменения падения напряжения на резисторе.

Рис. 10. 24

 

На рис.10.24 изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор VT ₁ включен параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.

Для иллюстрации принципа работы последовательного стабилизатора рассмотрим переменный резистор, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 7.27). Для поддержания постоянного напряжения на нагрузке сопротивление R 2 можно изменять. При увеличении входного напряжения сопротивление R 2 увеличивают, чтобы на нем падало излишнее напряжение, и напряжение на нагрузке оставалось постоянным.

Рис. 10. 25

 

С помощью резистора R ₂ можно также компенсировать изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на переменном резисторе увеличивается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на нагрузке. Если в момент увеличения тока уменьшить сопротивление, то падение напряжения на переменном резисторе останется постоянным. В результате постоянным окажется и выходное напряжение, несмотря на изменения тока нагрузки. На практике переменный резистор заменяют транзистором.

На рис.10.26 изображен простой последовательный стабилизатор. На его вход подается нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряжение меньшее по величине. Транзистор включен как эмиттерный повторитель, и поэтому здесь отсутствует обращение фазы между базой и эмиттером.

Рис. 10. 26

 

Напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе. Нагрузка подключена между эмиттером транзистора и землей. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона минус 0,7 В падения напряжения на переходе база-эмиттер.

Когда входное напряжение на транзисторе увеличивается, выходное напряжение также увеличивается. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона.

Более популярным типом последовательных стабилизаторов является стабилизатор с обратной связью. Такой стабилизатор содержит цепь обратной связи, контролирующую выходное напряжение.

На рис.10.26 изображена схема стабилизатора напряжения с обратной связью. Серьезным недостатком последовательного стабилизатора является то, что транзистор включен последовательно с нагрузкой. Короткое замыкание в нагрузке приведет к большому току через транзистор, что может вывести его из строя. Необходима цепь, поддерживающая ток, проходящий через транзистор на безопасном уровне.

Рис. 10. 27

 

В последние годы вместо стабилизаторов на дискретных компонентах все чаще используют стабилизаторы на интегральных микросхемах.

Современные стабилизаторы на интегральных микросхемах дешевы и просты в применении. Большинство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход и земля) и могут быть подсоединены непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандартных микросхем, то можно использовать микросхему стабилизатора с регулируемым напряжением.

При выборе микросхемы стабилизатора необходимо знать напряжение и ток нагрузки, а также электрические характеристики нестабилизированного блока питания.

 

Умножители напряжения

Напряжение постоянного тока на выходе блока питания ограничено максимальным значением входного синусоидального напряжения. Когда требуются более высокие постоянные напряжения, используется повышающий трансформатор. Однако более высокие постоянные напряжения могут быть получены и без повышающего трансформатора. Цепи, способные создавать высокие постоянные напряжения без помощи трансформатора, называются умножителями напряжения. Чаще всего используются удвоители и утроители напряжения.

Рис. 10. 28

 

 На рис. 10.28 изображен однополупериодный удвоитель напряжения. Он создает выходное постоянное напряжение, которое в два раза больше максимального значения входного переменного напряжения.

На рис 10.29 изображена схема удвоителя напряжения. В течение положительного полупериода конденсатор С, заряжается через диод VD ₁ до максимального значения входного напряжения, а в течение отрицательного полупериода конденсатор С₂ через диод VD₂ также заряжается до максимального значения входного напряжения.

 

 

 

Рис. 10. 29

 

Когда входное напряжение меняет знак, конденсаторы C ₁ и С ₂ последовательно разряжаются через нагрузку. Поскольку каждый конденсатор заряжен до максимального значения входного напряжения, то полное напряжение на нагрузке будет в два раза больше максимального значения входного напряжения.

Так как оба конденсатора заряжаются в течение обоих полупериодов, то частота пульсаций полученного напряжения будет 100 Герц. Конденсаторы С ₁ и С ₂ суммируют свое напряжение на нагрузке.

 

Рис. 10. 30

 

На рис. 10.30 изображена схема утроителя напряжения. В течение положительного полупериода диод VD ₁ открывается, и начинает проводить. При этом конденсатор C ₁ заряжается до максимального значения входного напряжения и создает положительный потенциал на диоде VD ₂.

В течение отрицательного полупериода диод VD ₂ смещен в прямом направлении, и через него течет ток к конденсатору С ₁, через конденсатор С ₂. По­скольку на конденсаторе C ₁ сохранилось напряжение, конденсатор С ₂ заряжается до удвоенного максимального значения.

В течение следующего положительного полупериода на конденсаторе С ₂ создается разность потенциалов, которая в три раза больше максимального напряжения. Верхняя обкладка конденсатора С ₂ заряжена положительно до удвоенного максимального значения напряжения. Анод диода VD ₃ имеет положительный потенциал, равный утроенному значению максимального значения напряжения по отношению к земле, следовательно, конденсатор С ₃ заряжен до утроенного максимального значения напряжения. Это напряжение и прикладывается к нагрузке.

 

Тесты рубежного контроля 7, 8, 9.