Выпрямители и фильтры

1.

ВЫПРЯМИТЕЛИ И ФИЛЬТРЫ
1

2.

Преобразование переменного тока
в постоянный
2

3. Принцип преобразования тока

Во временной области:
В частотной области:
3

4. Выпрямитель

Выпрямитель – устройство, преобразующее напряжение переменного тока в
напряжение постоянного тока.
4

5. Однотактное выпрямление

5

6. Двухтактное выпрямление

6

7. Вентили

В качестве ключей для схем выпрямления используются неуправляемые и
управляемые вентили (диоды, тиристоры, биполярные и полевые
транзисторы). Наиболее широко известны неуправляемые вентили – диоды.
7

8.

Неуправляемые вентили
8

9. Вентиль

Вентиль – прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду.
Ш – диод Шоттки;
Ge – германиевый диод;
Si – кремниевый диод.
9

10. Диод Шоттки

В диодах Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от
обычных диодов, где используется p-n-переход. Переход металл-полупроводник
обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового pn-перехода):
• пониженное падение напряжения при прямом включении;
• большой ток утечки;
• очень маленький заряд обратного восстановления.
10

11. Аппроксимация ВАХ диода

Для расчётов реальную ВАХ заменяют линейно-ломаной, пренебрегая
потерями от обратных токов, как это показано на рисунке.
Uд – начальное смещение ВАХ диода;
rd – дифференциальное сопротивление прямого участка ВАХ;
ИВ – идеальный вентиль.
11

12. Аппроксимация ВАХ диода

Обычно начальное смещение ВАХ реальных диодов составляет:
12

13.

Требования к вентилям
13

14. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
1) обеспечивать среднее значение прямого тока Iпр.ср и максимальное
значение прямого тока Iпрmax;
14

15. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
2) иметь минимально возможные rd и Uд из-за потерь мощности в прямом
направлении, что поясняется следующим выражением для расчёта этих
потерь:
15

16. Требования к вентилям

Минимально возможные Uд , rd определяют КПД выпрямителя, что особенно
важно в низковольтных схемах.
Коэффициент загрузки диода по среднему току должен быть не более 0,2…0,3.
16

17. Требования к вентилям

Пути снижения потерь:
• Параллельное включение нескольких диодов.
• В цепях питания низковольтных нагрузок используют интегральные диоды –
включенные параллельно при их изготовлении несколько десятков р–nпереходов (20…100 штук), при этом выравнивающих резисторов не
требуется, так как все переходы одинаковы, загружены током равномерно и
коэффициент загрузки по току не превышает 10…20 %, что при водит к
снижению результирующих потерь.
17

18. Требования к вентилям

Пути снижения потерь:
• Параллельное включение нескольких диодов.
Недостатки метода:
• Если диоды дискретные (корпусные), то токи необходимо выравнивать,
включая дополни тельные резисторы с сопротивлением Rдоб >> rd. Это
приводит к возрастанию результирующих потерь.
18

19. Требования к вентилям

Пути снижения потерь:
• Многообмоточный трансформатор (секционированный выпрямитель).
Роль выравнивающих резисторов играют омические сопротивления обмоток.
19

20. Требования к вентилям

Пути снижения потерь:
• Многообмоточный дроссель.
20

21. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
3) иметь малый обратный ток, поскольку это дополнительные потери;
21

22. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
4) обладать достаточной электрической прочностью в обратном направлении
U обр.доп и удовлетворять требованиям к времени восстановления ;
22

23. Требования к вентилям

Но при обратных напряжениях более 200…300 В выбор диодов резко
ограничивается. Диоды приходится включать последовательно и выравнивать
об ратные напряжения внешним делителем.
Недостатки метода:
• Ток делителя должен быть больше обратного тока диодов Iобр.д << Iдоб ,
иначе не будет выравнивания напряжений. Это существенно увеличивает
потери и уменьшает КПД.
23

24. Требования к вентилям

Но при обратных напряжениях более 200…300 В выбор диодов резко
ограничивается. Можно использовать секционированные выпрямители и
складывать напряжения на нагрузке
24

25. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
5) при работе на ёмкость выдерживать ударный ток Iпр.уд ;
Для практического использования вентиля в выпрямителе, работающем на
ёмкость, представляет интерес допустимая амплитуда серии из 2…4 импульсов
тока, следующих с частотой питающей сети. Эта амплитуда называется ударным
током Iпр.уд и характеризует стойкость диода к перегрузкам. Она может в 20…50
раз превышать максимальный ток диода, указанный в справочнике при работе
на активную нагрузку.
Коэффициентом перегрузки по току:
25

26. Требования к вентилям

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления, предъявляется
ряд требований:
6) иметь достаточное быстродействие – малое время восстановления
обратного со противления.
Время восстановления обратного сопротивления диода (tвосст.),
определяется, как время, в течение которого обратный ток диода после
переключения полярности приложенного напряжения с прямого на
обратное достигает своего стационарного значения с заданной
точностью.
26

27. Требования к вентилям

В источниках питания с высокочастотным преобразованием
используются импульсные или высокочастотные силовые диоды.
энергии
27

28. Требования к вентилям

28

29.

Тепловой режим
29

30. Тепловой режим

30

31. Тепловой режим

Тепловая модель полупроводникового прибора
На рисунке обозначено: П – пластина (переход); К – корпус; Р – радиатор; ОС –
окружающая среда; tп – температура пластины; tОС– температура окружающей
среды; R – тепловое сопротивление соответствующего перехода с размерностью
[градус/ватт]. Величины тепловых сопротивлений приводятся в справочниках на
полу проводниковые приборы.
Таким образом температура пластины:
Эта температура не должна превышать максимально допустимую для данного
материала (например, для кремния +140 °С)
31

32.

Схемы выпрямителей
32

33. Однофазная однотактная схема выпрямления

33

34. Однофазная однотактная схема выпрямления

За период сети ток i2 не меняет своего
направления, поэтому имеет место
постоянное подмагничивание
сердечника трансформатора.
Ток в первичной обмотке равен сумме
тока холостого хода (ixx) и тока нагрузки,
пересчитанного в первичную цепь (i2’),
который не имеет постоянной
составляющей.
34

35. Пульсность схемы

Пульсность схемы определяется произведением:
где k – число вторичных обмоток трансформатора; q – число им пульсов тока за
период в одной обмотке.
Однофазная однотактная схема
Двухфазный однотактный выпрямитель