Классификация вентилей и схем выпрямления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

Кафедра «Радиоэлектроника»

Руденко Н.В.

ЛЕКЦИЯ № 2

Тема лекции: «Однофазные полупроводниковые

выпрямители: структура, классификация, показатели

качества выпрямления»

по дисциплине «электропитание и элементы

электромеханики»

Ростов-на-Дону

ЛЕКЦИЯ № 2

Тема лекции: «Однофазные полупроводниковые выпрямители: структура, классификация, показатели качества»

Учебные вопросы

Классификация вентилей и схем выпрямления.

2. Электромагнитные процессы в однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления, её энергетические параметры и показатели качества выпрямления.

Электромагнитные процессы в двухфазной однотактной двухполупериодной схеме выпрямления (схеме со средней точкой).

Электромагнитные процессы в однофазной двухтактной двухполупериодной мостовой схеме выпрямления.

Литература

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учеб. пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - с. 127 – 143.

Классификация вентилей и схем выпрямления

Место ИВЭ-выпрямителей в СВЭП РЭС. Выпрямительные схемы как функциональные узлы аппаратуры РЭС имеются во всех практически схемах радиоэлектронных средств.

Нас интересуют силовые преобразователи переменного напряжения в постоянное, то есть ИВЭ-выпрямители.

Таких основных и вспомогательных источников постоянного напряжения в системах электропитания множество, так как:

- питание радиоаппаратуры чаще всего осуществляется от обычной сети переменного тока 220 В 50 Гц, а большинство электронных схем требуют наличия постоянных напряжений;

- в стране наибольшее распространение имеют ЛЭП переменного тока;

- электронная и радиоэлектронная аппаратура требуют наличия разных величин (уровней) постоянных напряжений на выходах ИВЭ-выпрямителей:

- радиоприемники – 5 В; 6 В; 12 В; 15 В;

- радиопередатчики – 5 В; 9 В; 12 В; 24 В;

- приборы ЭВТ – 5 В; 9 В; 12 В; 27; 20 В;

- приборы автоматики – 5 В; 6 В; 15 В;

- операционные усилители – 15 В;

- ИМС – 2 В; 5 В; 12 В;

- транзисторная РЭА – 12 В; 6 В; 20 В; 27 В; 36;

- стандартные общепромышленные источники постоянного напряжения указанных многоуровневых напряжений не обеспечивают, что и требует разработки “собственных” ИВЭ-выпрямителей для РЭС. Этим во всех странах занимается множество фирм.

Функциональная схема выпрямителя. Электрические выпрямители являются наиболее широко применяемыми в РЭС универсальными преобразователями переменного тока в постоянный.

Функциональная электрическая схема простейшего выпрямителя представлена на рис.2.1. Она содержит трансформатор (Т), блок вентилей (БВ) и сглаживающий фильтр (Ф).

Основным функциональным блоком (узлом), обеспечивающим выпрямление переменного тока, является блок вентилей (БВ), содержащий один или несколько вентилей, соединенных между собой по определенной схеме, называемой схемой выпрямления.

На схеме рис. 2.1 изображены электрические токи и напряжения на входах и выходах каждого функционального узла выпрямителя:

u ₁, i ₁, u ₂, i ₂ - функции мгновенных значений входных и выходных напряжений и токов;

u_d, i_d - функции мгновенных значений выпрямленных напряжения и тока на выходе БВ;

U_d, I_d - средневыпрямленные значения (постоянные составляющие) выпрямленных напряжения и тока. Именно эти значения и должен обеспечить выпрямитель для питания приемника РЭС постоянными токами.

Если напряжение переменного тока, подводимое к блоку вентилей, согласуется с требуемым напряжением на приемнике и с блоком вентилей таким образом, что: а) уровня подведенного напряжения сети после выпрямления достаточно для обеспечения требуемого постоянного напряжения на приемнике и б) обратное переменное напряжение на каждом вентиле блока вентилей не превышает допустимых для любого вентиля значений, то выпрямитель может не содержать трансформатора. Такие выпрямители называются выпрямителями с бестрансформаторным входом.

Кроме того, если приемник постоянного тока РЭС, получающий электропитание от выпрямителя, не предъявляет высоких требований к пульсациям выпрямленного напряжения, то в структуре такого выпрямителя может отсутствовать и сглаживающий фильтр.

Классификация и свойства выпрямителя обычно рассматриваются на основе структуры схемы выпрямления, не содержащей сглаживающего фильтра и работающей на чисто активную (резистивную) нагрузку. Это связано с тем, что сглаживающие фильтры содержат, как правило, реактивные элементы - индуктивные (дроссели), емкостные (конденсаторы), которые для выпрямителя сами являются реактивной нагрузкой, изменяющей характер электромагнитных процессов в выпрямителе. Изучение этих процессов в выпрямителе проводится для каждого варианта такой нагрузки (активно-индуктивной, активно-емкостной) раздельно.

Обычно характер электромагнитных процессов в схеме выпрямления иллюстрируется графиками (эпюрами) напряжений и токов на входе и выходе каждого функционального узла схемы.

Оценка качества выпрямления осуществляется по значениям ряда коэффициентов, характеризующих показатели качества той или иной схемы выпрямления.

Классификация вентилей. Отметим, что свойства и возможности различных схем выпрямления и выпрямителей как ИВЭ радиоаппаратуры существенно зависят от типов используемых вентилей.

Вентиль в общем понимании есть функциональный нелинейный элемент, обладающий односторонней электрической проводимостью, способный скачкообразно изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от знака приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) такого элемента резко несимметрична.

В настоящее время и в маломощных, и в силовых выпрямителях исключительное применение находят полупроводниковые вентили - германиевые и кремниевые диоды.

Графическое и буквенное обозначения и типовые вольтамперные характеристики полупроводникового диода представлены на рис.2.2, а.

Благодаря односторонней проводимости p-n -перехода полупроводникового диода его вольтамперная характеристика имеет две ветви: прямого и обратного тока сквозь вентиль (рис.2.2, б). Обычно ВАХ диода идеализируют. У идеального диода (рис.2.2, в) сопротивление прямому току равно нулю, а обратному току - бесконечно большое. При такой идеализации обратным током через вентиль можно пренебречь.

При положительной разности потенциалов (плюс на аноде А и минус катоде К, (рис.2.2, а) выпрямительный диод " открывается" и проводит ток в прямом направлении, а при обратной полярности напряжения на вентиле - диод " закрывается", ток через него - незначителен. В этом суть процесса выпрямления в любой схеме, содержащей вентили и используемой как выпрямитель.

Рис.2.2. Полупроводниковый неуправляемый диод:

а - условные графические и буквенные обозначения;

б - реальная ВАХ; в - идеальная ВАХ

Особую группу вентилей составляют так называемые управляемые полупроводниковые диоды - тиристоры, имеющие дополнительный управляющий электрод УЭ.

Рассмотрим наиболее широко используемые в выпрямителях РЭС полупроводниковые диоды. Оценка применимости того или иного типа диода производится прежде всего по значениям допустимых обратного напряжения и прямого тока.

В выпрямителях с входным напряжением 380/220 В трехфазного тока частоты 50 Гц рабочее напряжение может достигать 600 В. В таких цепях используются диоды с допустимым рабочим напряжением не ниже 1000 В.

По мере повышения рабочей частоты выпрямителя или другого преобразователя, особенно с импульсным преобразователем, повышаются требования к частотным свойствам диодов. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют диоды Шотки (до 200 кГц): 2Д2998, 2Д2995 (U _обр=50...200 В, I £ 25 А) и др.

В схемах выпрямления ИВЭ на базе инверторов применяются так называемые диодные сборки, представляющие собой электрическое соединение диодов со стороны катодов по определенной схеме выпрямления.

В высоковольтных выпрямителях передающих РЭС используются высоковольтные столбы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных диодов типа, например, 2Д226, 2Д230 и др.

Германиевые диоды обладают следующими свойствами: они технологичны, имеют меньшее, чем у кремниевых, прямое сопротивление R _пр, их диапазоны обратных напряжений находятся в пределах U _обр=50...400 В, рабочие частоты не превышают 10 кГц, диоды имеют значительные обратные токи I _обр, их диапазон температур лежит в пределах от -50 ⁰С до +70 ⁰С.

Кремниевые диоды, хотя и имеют более сложную технологию изготовления, но по многим параметрам предпочтительнее германиевых: допускают обратные напряжения до 1000 В, прямые токи до 1000 А, имеют значительно меньшие обратные токи, диапазоны их частот - до 30 кГц, имеют более широкий диапазон допустимых температур от -60⁰ С до +125⁰ С.

Существенным недостатком кремниевых диодов является повышенное падение напряжения на диоде, в 2-3 раза больше, чем у германиевых диодов.

И германиевые, и кремниевые диоды чувствительны к токовым перегрузкам, что часто приводит к так называемому тепловому пробою и выходу диода из строя.

Эффект выпрямления достигается, как было отмечено выше, благодаря односторонней проводимости p-n -перехода полупроводникового диода.

Классификация схем выпрямления. Все выпрямители обычно классифицируются по следующим основным:

1 ) по числу фаз вторичной обмотки силового трансформатора (однофазные, двухфазные, трехфазные, шестифазные);

2) по числу импульсов тока в каждой фазной вторичной обмотке трансформатора за один период (однотактные, двухтактные);

3 ) по числу импульсов выпрямленного тока в приемнике за период фазного напряжения каждой вторичной обмотки трансформатора - однополупериодные, двухполупериодные;

4) по типу вентиля – ионные, электронные, полупроводниковые.

Широкое применение в технике РЭС нашли следующие основные схемы выпрямления:

1) однофазная однотактная однополупериодная;

2) однофазная двухтактная двухполупериодная (мостовая);

3) двухфазная однотактная двухполупериодная (схема со средней точкой);

4) трехфазная однотактная (Миткевича);

5) трехфазная двухтактная мостовая (Ларионова).

Существует еще несколько схем выпрямления, производных от перечисленных (схемы Латура, шестифазные с уравнительным реактором и без него и др.).

В этой и следующей лекциях рассматривается схемотехника, свойства и характеристики только основных схем выпрямления при их работе на чисто активную нагрузку.