Устройство и принцип действия и характеристики выпрямителей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно- Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

Филиал ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Златоусте

Факультет «Машиностроительный»

Кафедра «Электрооборудование и автоматизация производственных процессов»

 

Устройство и принцип действия и характеристики выпрямителей

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Общая электротехника и электроника»

ЗлМ-349.270102.2012.997.06 Р

Нормоконтроль:

Е. В. Шведова

_____________ 

«__»______2012 г.

Златоустт

  Руководитель:

                  Е. В. Шведова

_____________

     «__»______2012 г.

Автор проекта:

                студент группы ЗлМ-349

                Кобылкина М. С.

 _____________

      «__»______2012 г.

     Проект защищен 

                   с оценкой

   _____________

        «__»______2012 г.

2012г.

Аннотация

                   Кобылкина М. С. Устройство и принцип действия и характеристики выпрямителей.

                            —Филиал ГОУ ВПО ЮУрГУ в г.Златоусте.

                       Машиностроительный факультет. 2012, 19 с.

                                               Библиографический список —  6 наименований.

     В данном реферате рассмотрены устройство и принцип действия и характеристики выпрямителей.

     Блоки питания различной аппаратуры- это область применения выпрямителей. Без них мы бы не смогли представить работу различного транспорта, малогабаритной аппаратуры широкого спектра действия. Поэтому очень важно представлять себе как устроены выпрямители, знать их принципиальные схемы, принцип работы и основные характеристики, чему и посвящен данный реферат.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                  4

1.     Устройство и принцип действия выпрямителей                                      5

2.     Схемы выпрямителей                                                                    
              9 

3.       Характеристики выпрямителей                                                              17                         БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК                                                          19

ВВЕДЕНИЕ

          Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

          Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применяются, например,  в блоках питания такой аппаратуры, как промышленная и бытовая радио- и электроаппаратура (в т.ч. так называемые адаптеры), бортовая радиоэлектронная аппаратура транспортных средств.  Это  обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.[1]

           Давай те разберемся, что же из себя представляют выпрямители, а именно разберемся с устройством, принципом действия и характеристиками выпрямителей.

1. Устройство и принцип действия выпрямителя

        Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.
               В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.
                Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону ( рис. 1).

Рисунок 1.- Синусоидальный закон изменения переменного тока

            В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна- синим цветом).
           Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним. [2]

Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

·          Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

·          Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

·        Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.[3]

          В качестве источника энергии u₁(t) в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. ВУ преобразует знакопеременное напряжение источника энергии u₁(t) в напряжение постоянного тока u₀(t), содержащее, кроме полезного продукта преобразования — постоянной составляющей напряжения U₀, также переменную составляющую, называемую пульсацией u_п(t) = u₀(t) — U₀. Допустимый уровень пульсации на выходе выпрямителя и критерии (параметры) ее оценки определяются требованиями аппаратуры.

          Выпрямительные устройства могут быть выполнены по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием энергии. В состав такого выпрямителя входит низкочастотный силовой трансформатор Т, работающий на частоте Д = 50 Гц источника энергии, вентильный блок (диодный блок) ВБ и сглаживающий фильтр СФ.

          Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения питающей сети (источника энергии) u₁(t) до значений u₂(t), при которых на выходе ВУ может быть получено требуемое значение постоянной составляющей напряжения U₀. Кроме того, трансформатор необходим для обеспечения гальванической развязки между источником энергии и выходными зажимами  выпрямителя, что позволяет заземлять один из выходных полюсов (зажимов) выпрямителя. ВБ преобразует переменное напряжение u₂(t) в знакопостоянное (однополярное) напряжение u₀₁(t). В простейшем случае ВБ представляет собой набор неуправляемых вентилей (диодов), собранных по той или другой схеме выпрямления. В стабилизированных выпрямительных устройствах, выполненных по традиционной схеме, ВБ может быть также реализован полностью на полууправляемых приборах — тиристорах или в его состав могут входить как диоды, так и тиристоры. Выпрямители, в которых ВБ реализован с применением тиристоров, называются чаще управляемыми выпрямителями. После ВБ практически в любом выпрямительном устройстве, предназначенном для электропитания аппаратуры телекоммуникаций, следует сглаживающий фильтр СФ, представляющий собой фильтр нижних частот. СФ необходим для уменьшения уровня пульсации на выходе выпрямителя до значений, удовлетворяющих требованиям аппаратуры.

          Достоинством выпрямителей, выполненных по традиционной схеме (рис. 3), является их высокая надежность и простота обслуживания. К недостаткам подобных выпрямителей следует отнести их низкие удельные объемно-массовые показатели (менее 20 Вт/дм³) и относительно низкие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности).

          В выпрямителях, выполненных по схеме с двойным преобразованием энергии (в отечественной литературе подобные выпрямители называются выпрямителями с бестрансформаторным входом), отсутствует низкочастотный силовой трансформатор и напряжение источника энергии (сети переменного тока) подается непосредственно на вентильный блок ВБ1, на выходе которого устанавливается либо сглаживающий фильтр СФ1, либо корректор коэффициента мощности. Далее напряжение постоянного тока высокого уровня подается на регулируемый инвертор РИ, преобразующий это напряжение постоянного тока в переменное напряжение высокой частоты. Напряжение е выхода РИ подается на ВБ, на выходе которого устанавливается сглаживающий фильтр СФ. Гальваническая развязка источника энергии и выходных зажимов ВУ осуществляется с помощью силового высокочастотного трансформатора, входящего в состав РИ.

Рисунок 2.- Условное обозначение выпрямителя

Рисунок 3.- Структурная схема выпрямителя, выполненного по традиционной схеме

          Выпрямители с бестрансформаторным входом ВБВ (рис. 4), в отличие от выпрямителей, выполненных по традиционной схеме (низкочастотных выпрямителей), характеризуются прежде всего более высоким КПД (90...93 %), высокими удельными объемно-массовыми показателями (150...250 Вт/дм³) и низкой инерционностью системы регулирования (стабилизации) выходного напряжения. Благодаря своим преимуществам ВБВ находят все более широкое применение в системах электропитания-аппаратуры телекоммуникаций, вытесняя низкочастотные выпрямители.

Рисунок 4.- Структурная схема выпрямителя с безтрансформаторным входом

[4]

2. Схемы выпрямителей

          Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

          Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

·          Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

·          Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

·          Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

          Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя U0 и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) I 0, можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимый ток вентилей, обратное напряжение на вентилях, а также рабочее напряжение конденсатора фильтра. Задавшись необходимым коэффициентом пульсаций, можно рассчитать значение емкости на выходе выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 5:

Рисунок 5.- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках однополупериодного выпрямителя

где U2 –Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

      Uн – Напряжение на нагрузке.

      Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

          Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

          Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

          Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 6:

Рисунок 6.- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя с нулевой точкой

где U2 -Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

      Uн – Напряжение на нагрузке.

     Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

          В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

          Преимущество: эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

          Недостатки: более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Мостовая схема выпрямителя

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 7:

Рисунок 7- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя

где U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора

      Uн – Напряжение на нагрузке.

     Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

     Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

     При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

     При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

          Преимущества: по сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

          Недостатки: увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

          Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления (рис. 8):

Рисунок 8.- Два варианта схем выпрямления при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора

          На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.

          На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

Схема удвоения напряжения

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис.9:

Рисунок 9.- Принципиальная схема удвоения напряженния и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя

где U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора

      Uн – Напряжение на нагрузке.

          Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.

          Преимущества: вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.

          Недостатки: значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двуполупериодных выпрямителей.

Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах ( рис. 10):

Рисунок 10.- Дополнительные варианты схемы

          Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.

          Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.

Многофазные выпрямители

          Многофазные выпрямители применяются, как правило только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.

Трехфазный выпрямитель

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 11:

Рисунок 11.- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках трехфазного выпрямителя

где ФА, ФС, ФВ – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.

        Uva, Uvb, Uvc напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.

       Uн – Суммарное напряжение на нагрузке.

          Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

          Достоинства: низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

          Недостатки: так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления, низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

Схема Ларионова

          Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис.12:

          Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку. Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Рисунок 12.- Принципиальная схема Лароинова и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя

          Недостатки: Увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Выпрямители для бестрансформаторного питания аппаратуры

          Бестрансформаторные выпрямители являются простейшими неавтономными источниками постоянного тока. Они применяются при напряжениях близких к напряжению сети или превышающих его в 1,5 – 2,5 раза и токах до нескольких десятков миллиампер.

          Ограниченное применение бестрансформаторных выпрямителей объясняется в первую очередь требованиями техники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжения гальванически связаны с сетью. Второй недостаток таких выпрямителей – отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения. Для радиоаппаратуры можно использовать в качестве безтрансформаторных выпрямители: однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основные характеристики такие же как и в случае с трансформаторным питанием. Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмоток трансформаторов (вместо трансформатора).

          Для питания малогабаритной портативной аппаратуры с токами до 15-20 миллиампер можно применять однополупериодные или мостовые схемы с гасящими конденсаторами. В этой схеме (рис. 13) конденсатор Сгас выполняет роль “безваттного” реактивного сопротивления, образующий с активным сопротивлением нагрузки своеобразный делитель напряжения.

 

Рисунок 13.-Схема выпрямителя для питания малогабаритной портативной аппаратуры

          Реактивное сопротивление гасящего конденсатора указано в формуле.

          Данная схема может найти применение для заряда малогабаритных аккумуляторов радиоприемников, радиостанций и радиотелефонов. [5]

4.    Характеристики выпрямителей

          Основными характеристиками выпрямителей являются:

·        Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

·        Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

·        Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

·        Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

·        Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

·        Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 % ) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

·        Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

·        Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.    [6]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.      http://oitzi.ru/Materials.aspx?doc_id=12&id=278

2.     http://www.meanders.ru/vypryamitely.shtml

3.     http://ts-990s.ru/vyprjamitel.html

4.     http://privetstudent.com/referaty/elektronika/498-vypryamitelnye-ustroystva.html

5.     http://ts-990s.ru/vyprjamitel.html

6.     http://info.linuxoid.in/radio/sites/1/pow2_15.htm