УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рис. 1.

 

Рисунок 1

 

В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных, прежде всего, тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций

выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействии: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок.

Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В. (Информация с сайта http://h2.smtu.ru/Know/AEC/II.htm).

Выпрямители, инверторы и преобразователи частоты являются источниками вторичного электропитания.

Источник вторичного электропитания (ИВЭ) представляет собой средство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы или отдельные цепи комплекса электронной аппаратуры.

От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы, реостаты или потенциометры. Однако подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют существенный недостаток, связанный с низким КПД. Такие регуляторы имеют, как правило, большие массу, габариты и стоимость.

Более экономичным и удобным способом управления, который получил широкое распространение, является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.

Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляемыми выпрямителями.

Основным элементом современных управляемых выпрямителей является тиристор VS. На рисунке 2а представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре VS. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению во времени моментом отпирания (включения) тиристора. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления и обозначают α (рис. 2б), а способ управления называют фазовым.

Управление значением α осуществляют с помощью фазовращающей C-цепи, которая позволяет изменить угол α от 0 до 90⁰. При этом выпрямленное напряжение регулируют от наибольшего значения до его половины. Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных однополярных импульсов.

Рисунок 2

Оптимальной формой управляющих сигналов для тиристоров является короткий импульс с крутым фронтом. Такая форма позволяет уменьшить нагрев управляющего электрода тиристора, а также обеспечить за счет высокой крутизны управляющего импульса четкое отпирание тиристора. Для формирования подобных импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в требуемых пределах.

На рисунке 3 изображена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБ), довольно часто применяемым на практике. Сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению тиристоров VS₁ и VS₂ производят вручную с помощью мостового фазовращателя (рис. 4а), векторная диаграмма которого изображена на рис. 4б. Как известно, при изменении сопротивления переменного резистора R фаза напряжения U_cd, являющегося выходным напряжением мостового фазовращателя, при постоянной амплитуде плавно изменяется от 0 до 180⁰. Напряжение U_cd с выхода фазовращателя (см. рис. 3) поступает на вход усилителей-ограничителей на тиристорах VT₁, VT₂, причем диоды VD₁, VD₂ срезают отрицательные полуволны этого напряжения. Выходные напряжения этих усилителей, имеющие трапецеидальную форму, далее дифференцируются цепочками R₁C₁ и R₂C₂. Появившиеся после этого импульсы с крутыми фронтами и малой длительностью являются двухполярными. Диоды VD₃, VD₄ в управляющих цепях тиристоров делают их однополярными (не пропускают отрицательные импульсы).

 

Рисунок 3

Рисунок 4

Усилители-ограничители питаются от отдельного выпрямителя, который собран по мостовой схеме на диодах VD₅-VD₈. В выпрямитель входит также сглаживающий RC-фильтр.

Среднее значение выпрямленного напряжения при угле управления α≠0 без учета потерь определяют из выражения:

где U₂ – действующее напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора.

(Электротехника и электроника. Учебник для вузов. – В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г. П. Гаев, В. Г. Герасимов, О. М. Князьков и др.; Под ред. Проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998.- 432 с.)

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Майер Р. В. Основы электроники. Курс лекций: Учебно-методическое пособие. – Глазов: ГГПИ, 2011.

2. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. – В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г. П. Гаев, В. Г. Герасимов, О. М. Князьков и др.; Под ред. Проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998.- 432 с.

3. Информация с сайта http://h2.smtu.ru/Know/AEC/II.htm.

4. Электроника http://ru.wikipedia.org/wiki