Исследование схем выпрямления на полупроводниковых вентилях.

Цель работы: Уяснить принцип работы схем выпрямления, проанализировать их работу, в зависимости от внутреннего сопротивления вентиля, сопротивления и характера нагрузки.

Сведения из теории.

Назначение выпрямителя.

Назначение выпрямителя преобразовывать переменный ток в постоянный. Основными элементами являются трансформатор электрические вентили, сглаживающий фильтр.

Назначение трансформатора состоит в том, во-первых, чтобы преобразовывать переменное напряжение источника до величины, соответствующей заданному значению выпрямительного напряжения и, во-вторых, для электрического разделения изоляций (цепей постоянного и переменного токов) особенно в высоковольтных выпрямителях и в выпрямителях с заземленной точкой.

Сглаживающие фильтры служат для уменьшения пульсаций выпрямительного напряжения. Виды сглаживающих фильтров а) емкостной; б) индуктивный; в) Г-образный RC - фильтр г) резисторно-емкостной; д) П-образный LC - фильтр (индуктивно-емкостной); е) резонансный фильтр; г) Г-образный LC - фильтр (индуктивно-емкостной)

К вспомогательным устройствам относятся: устройство для стабилизации выпрямительного напряжения, включения и отключения выпрямителя и д.р.

Электрические вентили служат для преобразования переменного напряжения в направлении одного неизменного напряжения. По особенностям устройства и физического процесса работы вентили, а, следовательно, и выпрямители делятся на три группы: 1) электронные; 2) ионные; 3) полупроводниковые.

Общая характеристика вентилей.

Основные конструктивные элементы у электронного и ионного вентилей одни и те же. Физической основой этих устройств служит явление термоэлектронной эмиссии, когда металлы при нагреве их до определенной температуры (разной для различных металлов) начинают эмитировать электроны. Плотность тока эмитированных электронов определяется формулой Ричардсона-Дешмана.

J= AT²exp(-W/kT) (1)

где J - плотность тока в А/см²

T - абсолютная температура металла в К

A - Сonst, близкая к 60-120 А/см²град²

k - постоянная Больцмана.

W - работа выхода для данного металла.

В электронных (вакуумных) приборах электрический ток между электродами образуется электронным потоком, созданным полем. Когда "минус" внешнего источника прикладывается к нагреваемому электроду, т.е. к электроду, эмитирующему электроны (катоду), а "плюс" - к собирающему электроны электроду (аноду). Вольтамперная характеристика вакуумного диода имеет насыщение. При U<0 течет ток, который объясняется наличием значительной кинетической энергии эмитированных электронов. Линейный участок в области I~U^3/2 соответствует росту тока за счет рассасывания электронного облака катода. Существование поля электронного облака приводит к значительному внутреннему сопротивлению электронного вакуумного прибора (килоомы и более). По этой причине вакуумные электронные диоды даже при высоких напряжениях имеют малые анодные токи.

Баллоны ионных вентилей после эвакуации из них воздуха заполняются парами ртути (ртутный выпрямителей) или инертными газами (газотрон). Давление в баллонах 10^-2- 10^-3 мм.рт.ст. (в вакуумных - 10^-3 -10^-5 мм рт.ст.).

Летящие с большой скоростью от катода к аноду электроны, сталкиваясь с молекулами заполнителя, расщепляют их на положительные и отрицательные ионы. Отрицательные ионы совместно с электронами летят к аноду, а положительные ионы - к катоду. В результате этого внутреннее сопротивление их значительно меньше, чем у вакуумных диодов и составляет от десятых долей Ома до сотен Ом. По этой причине ионные выпрямители конструируются на большие токи, мощности.. Так, например, металлические ртутные выпрямители, к.п.д. которых достигает 99%, и с помощью которых осуществлялось питание трамвайных, троллейбусных линий, линий метро и некоторых других мощных потребителей, выпускаются на токи несколько десятков тысяч ампер (более 12000 А) и напряжением 50000 В и более.

Однако за последнее время широкое применение, в том числе и в электрифицированном железнодорожном транспорте, стали находить полупроводниковые вентили. Преимуществами их являются высокий К.П.Д., надежность, долгий срок службы, простота обслуживания, компактность.

Принцип действия основан на осуществлении электронно-дырочного перехода (р-n переход), который образуется на границе между двумя слоями полупроводниковых материалов с различного рода проводимостью. Этот переход называется запирающим слоем, обладает односторонней проводимостью.

Физику явления смотрите: А.С.Калашников "Электричество"

Простейшая схема выпрямителя переменного тока состоит из одного вентиля, включённого последовательно с нагрузочным резистором R_н (рис.1), на котором создаётся выпрямленное напряжение.

Анализ работы однополупериодной схемы выпрямления.

Свойства любого выпрямительного устройства зависят от его схемы, характера нагрузки и схемы ограничивающего фильтра. Анализ работы такого устройства в целом весьма сложен. Поэтому: в начале рассмотрим работу однополупериодного выпрямления, работающего

а). на чисто активную нагрузку,

б) на нагрузку с емкостным фильтром.

При таком упрощении анализа будем считать, что трансформатор и вентиль идеальны, т.е. в первичной и вторичной обмотках трансформатора форма напряжения соответствует синусоидальной, сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном = бесконечно велико.

Однополупериодная схема выпрямления при чисто активной нагрузки R_н (рис.1.) Она состоит из трансформатора, вентиля и нагрузки R_н. На Напряжение U₁ и U₂, как известно, сдвинуты по фазе на угол, близкий к 180 .

Учитывая то что в прямом направлении сопротивление вентиля близко к нулю, то Uн=U₂. Во время отрицательной полуволны напряжение на вторичной обмотке трансформатора и сопротивление вентиля велико (в идеале), поэтому ток через нагрузку и напряжение на нагрузке равен нулю.

Так как во вторичной обмотке имеется постоянная составляющая тока, то происходит вынужденное намагничивание сердечника трансформатора, т.е. сердечник обладает определенной величиной постоянной (по направлению) намагниченности. Наличие в магнитопроводе постоянной по направлению составляющей магнитного потока приводит к увеличению тока в первичной обмотке, который в отличие от тока во вторичной обмотке является переменным. Все это ведет к изменению формы напряжения, (она отличается от синусоидальной) к увеличению потерь в сердечнике, в обмотках, к уменьшению К.П.Д.

При отрицательной полуволне можно считать, что всё напряжение на зажимах вторичной обмотки приложено к электродам вентиля. Максимальное значение этой разности потенциалов является амплитудой обратного напряжения, приходящегося на вентиль U_обр.

Исследовать работу выпрямителя - это значит проанализировать

а)_поведение внешней (нагрузочной) характеристики выпрямителя, т.е.U_н=f(I_н);

б) напряжение и токи в обмотках трансформатора.

в) напряжение на выводах диода и ток, идущий через него.

Величина тока и напряжения измеряется приборами амперметром и вольтметром как правило, электромагнитной или магнитоэлектрической систем. При этом необходимо учесть, что приборы электромагнитной системы измеряют действующее значение тока I_д=I и напряжения U_д=U, а приборы магнитоэлектрической системы - среднее значение тока I_ср и напряжения U_ср.

Типовая мощность двухобмоточного трансформатора равна:

Р_тип=0.5(Р₁+Р₂) где Р₁ и Р₂ - расчетные мощности обмоток. С учетом указанного выше увеличения тока первичной обмотки за счет намагничивающегося тока типовая мощность трансформатора равна:

Р_тип=(3.4+3.6)Ро где P_о=I_срU_ср (11)

Обратное напряжение, приходящееся на вентиль,

U_обр=U_v=U_н=U₂ (12)

Из рассмотренного видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума один раз за период. Следовательно, частота основной гармонике f_о.г равна частоте тока сети

f_с, т.е fо.г=fс (13)

Коэффициент пульсации К_п по определению равен: К_п =U_ог/U_ср, где U_ог - амплитуда основной гармонике, величину которой можно определить путем разложения несинусоидальной кривой выпрямленного напряжения в ряд. Uог =U_срp/2 откуда

К_п = 1.57 (14)

Основным преимуществом однополупериодной схемы выпрямления является её простота. Недостатки:

а) большие размеры и вес трансформатора вследствие плохого использования обмоток и вынужденного намагничивания сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока.

б) значительная величина обратного напряжения на вентиле;

в) большая величина и низкая пульсации, что приводит к увеличению

размеров и веса сглаживающего фильтра.

Однополупериодная схема выпрямления с емкостным фильтром показана на рис.2

При прохождении тока в прямом направлении емкость С заряжается и напряжение на R_н равно напряжению на емкости С. Так как напряжение на емкости отстает от напряжения на вторичной обмотке, то в течение всего времени зарядки емкости напряжение на ней будет оставаться меньше напряжения U₂ U_н<U_м. Когда напряжение U₂ станет меньше U_c конденсатор начинает через R_н разряжаться, поддерживая на R_н напряжение того же знака, что и в случае положительного полупериода. При этом напряжении на его зажимах по мере разрядки постепенно падает. Степень уменьшения напряжения U_с зависит от соотношения величины R_н и С ,

т.к U_c= U_cmaxe^-t/RC RC=t (15)

Коэффициент пульсации при этом резко уменьшается.

При зарядке конденсатора положительный потенциал подается на катод диода и, после момента времени, когда потенциал анода становится меньше потенциала катода, вследствие чего диод запирается и вновь начинает пропускать после момента времени, когда потенциал анода становится больше потенциала катода. Следовательно, время в течение которого диод "открыт" уменьшилось по сравнению со схемой без фильтра и это время зависит от величины R_н и C.

Как нетрудно видеть, во время отрицательного полупериода напряжение между электродами вентиля складывается из напряжения на зажимах вторичной обмотки и напряжения на зажимах С.