Контрольные вопросы. Сетевой выпрямитель - стабилизатор напряжения и тока

При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с такой проблемой, что при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатор рассеивается большая мощность. До настоящего времени в большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что использование источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, усложняется также дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ.

Выходом мне показалось использование управляемого выпрямителя на тиристоре т. к. появляется возможность создания источника питания, управляемого одной ручкой установки выходного напряжения или одним управляющим сигналом с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля (или почти от нуля) до максимального значения. Такой источник питания можно будет изготовить из готовых деталей, имеющихся в продаже.

К настоящему моменту управляемые выпрямители с тиристорами описаны и весьма подробно в книгах по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания применяются редко. В любительских конструкциях они также редко встречаются (кроме, конечно, зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов). Надеюсь, что настоящая работа поможет изменить это положение дел.

В принципе, описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах “Электроника Ц432”. Приведенные здесь схемы могут также быть использованы для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.

Описание своих работ я привожу не в том порядке как я их проводил, а более или менее упорядочено. Сначала рассмотрим общие вопросы, затем “низковольтные” конструкции типа источников питания для транзисторных схем или зарядки аккумуляторов и затем “высоковольтные” выпрямители для питания схем на электронных лампах.

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.

Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке U н выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Для ясности изложения предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке U н , а выпрямление производится другими приборами.

Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения (нижняя полуволна синусоиды “вывернута” вверх), обозначенные U выпр . Частота пульсаций f п на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100 Hz при питании от сети 50 Hz . Схемауправления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой t з относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя U выпр становится равным нулю.

Рис. 2.

Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка t з превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристора, тем меньше получится выпрямленное напряжение U н на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке U н сглаживаются конденсатором фильтра C ф . Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается что подзаряд емкости фильтра C ф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, однако, обычно намного меньше периода пульсаций Т п.

Теперь представим, что задержка момента включения тиристора t з равна половине периода пульсаций (см. рис. 3). Тогда тиристор будет включаться, когда напряжение на выходе выпрямителя проходит через максимум.

Рис. 3.

В этом случае напряжение на нагрузке U н также будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).

Здесь мы и сталкиваемся с проблемой. Предположим, что мы хотим регулировать напряжение на нагрузке почти от нуля до наибольшего значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущения потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в момент, когда U выпр проходит через максимум, т. е. t з = T п /2. С учетом того, что тиристор открывается не моментально, а подзарядка конденсатора фильтра C ф также требует некоторого времени, запускающий импульс нужно подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. t з < T п /2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения t з , частота сети, а значит, частота и период T п пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке U н возникает желание включать тиристор намного раньше половины периода пульсаций.

Предположим, что так мы и поступили, т. е. установили время задержки t з намного меньшее Т п /2. Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра C ф (см. первый импульс на рис. 4).

Рис. 4.

Оказывается, что при малом времени задержки t з возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор запускающего импульса напряжение на нагрузке U н оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя U выпр . В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием запускающего импульса. Один или несколько запускающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис. 4). Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.

Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет проходить постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.

Для того чтобы избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора вероятно можно отказаться от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Поэтому автор разработал схему тиристорного регулятора в которой тиристор нормально запускается управляющими импульсами и колебательного процесса не возникает. Такая схема приведена на рис. 5.

Рис. 5.

Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление R п , а конденсатор фильтра C R н подключены через пусковой диод VD п . В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра C ф .После подачи запускающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление R п и, затем, когда напряжение на R п превысит напряжение на нагрузке U н , открывается пусковой диод VD п и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра C ф . Сопротивление R п выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса t з . Понятно, что на пусковом сопротивлении бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, тогда можно будет применить пусковое сопротивление большой величины и уменьшить потери мощности.

Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод VD п , на котором бесполезно теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление R п к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление R п приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.

Рис. 6.

Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором

Ниже приводится описание нескольких конструкций низковольтных выпрямителей с тиристорным регулятором. При их изготовлении я взял за основу схему тиристорного регулятора, применяемого в устройствах для заряда автомобильных аккумуляторов (см. рис. 7). Эта схема успешно применялась моим покойным товарищем А. Г. Спиридоновым.

Рис. 7.

Элементы, обведенные на схеме (рис. 7), устанавливались на небольшой печатной плате. В литературе описано несколько подобных схем, отличия между ними минимальны, в основном, типами и номиналами деталей. В основном отличия такие:

1. Применяют времязадающие конденсаторы разной емкости, т. е. вместо 0.5 m F ставят 1 m F , и, соответственно, переменное сопротивление другой величины. Для надежности запуска тиристора в своих схемах я применял конденсатор на 1 m F .

2. Параллельно времязадающему конденсатору можно не ставить сопротивление (3 k W на рис. 7). Понятно, что при этом может потребоваться переменное сопротивление не на 15 k W , а другой величины. Влияние сопротивления, параллельного времязадающему конденсатору на устойчивость работы схемы я пока не выяснил.

3. В большинстве описанных в литературе схем применяются транзисторы типов КТ315 и КТ361. Порою они выходят из строя, поэтому в своих схемах я применял более мощные транзисторы типов КТ816 и КТ817.

4. К точке соединения базы pnp и коллектора npn транзисторов может быть подключен делитель из сопротивлений другой величины (10 k W и 12 k W на рис. 7).

5. В цепи управляющего электрода тиристора можно установить диод (см. на схемах, приведенных ниже). Этот диод устраняет влияние тиристора на схему управления.

Схема (рис. 7) приведена для примера, несколько подобных схем с описаниями можно найти в книге “Зарядные и пуско-зарядные устройства: Информационный обзор для автолюбителей / Сост. А. Г. Ходасевич, Т. И. Ходасевич -М.:НТ Пресс, 2005”. Книга состоит из трех частей, в ней собраны чуть ли не все зарядные устройства за историю человечества.

Простейшая схема выпрямителя с тиристорным регулятором напряжения приведена на рис. 8.

Рис. 8.

В этой схеме использован двухполупериодный выпрямитель со средней точкой т. к. в ней содержится меньше диодов, поэтому нужно меньше радиаторов и выше КПД. Силовой трансформатор имеет две вторичные обмотки на переменное напряжение 15 V . Схема управления тиристором здесь состоит из конденсатора С1, сопротивлений R 1- R 6, транзисторов VT 1 и VT 2, диода VD 3.

Рассмотрим работу схемы. Конденсатор С1 заряжается через переменное сопротивление R 2 и постоянное R 1. Когда напряжение на конденсаторе C 1 превысит напряжение в точке соединения сопротивлений R 4 и R 5, открывается транзистор VT 1. Коллекторный ток транзистора VT 1 открывает VT 2. В свою очередь, коллекторный ток VT 2 открывает VT 1. Таким образом, транзисторы лавинообразно открываются и происходит разряд конденсатора C 1 в управляющий электрод тиристора VS 1. Так получается запускающий импульс. Изменяя переменным сопротивлением R 2 время задержки запускающего импульса, можно регулировать выходное напряжение схемы. Чем больше это сопротивление, тем медленнее происходит заряд конденсатора C 1, больше время задержки запускающего импульса и ниже выходное напряжение на нагрузке.

Постоянное сопротивление R 1, включенное последовательно с переменным R 2 ограничивает минимальное время задержки импульса. Если его сильно уменьшить, то при минимальном положении переменного сопротивления R 2 выходное напряжение будет скачком исчезать. Поэтому R 1 подобрано таким образом чтобы схема устойчиво работала при R 2 в положении минимального сопротивления (соответствует наибольшему выходному напряжению).

В схеме использовано сопротивление R 5 мощностью 1 W только потому, что оно попалось под руку. Вероятно вполне достаточно будет установить R 5 мощностью 0.5 W .

Сопротивление R 3 установлено для устранения влияния наводок на работу схемы управления. Без него схема работает, но чувствительна, например, к прикосновению к выводам транзисторов.

Диод VD 3 устраняет влияние тиристора на схему управления. На опыте я проверил и убедился что с диодом схема работает устойчивее. Короче, не нужно скупиться, проще поставить Д226, коих запасы неисчерпаемы исделать надежно работающее устройство.

Сопротивление R 6 в цепи управляющего электрода тиристора VS 1 повышает надежность его работы. Иногда это сопротивление ставят большей величины или не ставят вовсе. Схема без него обычно работает, но тиристор может самопроизвольно открываться под действием помех и утечек в цепи управляющего электрода. Я установил R 6 величиной 51 W как рекомендовано в справочных данных тиристоров КУ202.

Сопротивление R 7 и диод VD 4 обеспечивают надежный запуск тиристора при малом времени задержки запускающего импульса (см. рис. 5 и пояснения к нему).

Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на выходе схемы.

В качестве нагрузки при опытах регулятором использовалась лампа от автомобильной фары.

Схема с отдельным выпрямителем для питания цепей управления и запуска тиристора приведена на рис. 9.

Рис. 9.

Достоинством данной схемы является меньшее число силовых диодов, требующих установки на радиаторы. Заметим, что диоды Д242 силового выпрямителя соединены катодами и могут быть установлены на общий радиатор. Анод тиристора соединенный с его корпусом подключен к “минусу” нагрузки.

Монтажная схема этого варианта управляемого выпрямителя приведена на рис. 10.

Рис. 10.

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения может быть применен LC -фильтр. Схема управляемого выпрямителя с таким фильтром приведена на рис. 11.

Рис. 11.

Я применил именно LC -фильтр по следующим соображениям:

1. Он более устойчив к перегрузкам. Я разрабатывал схему для лабораторного источника питания, поэтому перегрузки его вполне возможны. Замечу, что даже если сделать какую-либо схему защиты, то у нее будет некоторое время срабатывания. За это время источник питания не должен выходить из строя.

2. Если сделать транзисторный фильтр, то на транзисторе обязательно будет падать некоторое напряжение, поэтому КПД будет низкий, а транзистору может потребоваться радиатор.

В фильтре использован серийный дроссель Д255В.

Рассмотрим возможные модификации схемы управления тиристором. Первая из них показана на рис. 12.

Рис. 12.

Обычно времязадающую цепь тиристорного регулятора делают из включенных последовательно времязадающего конденсатора и переменного сопротивления. Иногда удобно построить схему так, чтобы один из выводов переменного сопротивления был подключен к “минусу” выпрямителя. Тогда можно включить переменное сопротивление параллельно конденсатору, как сделано на рисунке 12. Когда движок находится в нижнем по схеме положении, основная часть тока, проходящего через сопротивление 1.1 k W поступает во времязадающий конденсатор 1 m F и быстро заряжает его. При этом тиристор запускается на “макушках” пульсаций выпрямленного напряжения или немного раньше и выходное напряжение регулятора получается наибольшим. Если движок находится в верхнем по схеме положении, то времязадающий конденсатор закорочен и напряжение на нем никогда не откроет транзисторы. При этом выходное напряжение будет равно нулю. Меняя положение движка переменного сопротивления, можно изменять силу тока, заряжающего времязадающий конденсатор и, таким образом, время задержки запускающих импульсов.

Иногда требуется производить управление тиристорным регулятором не при помощи переменного сопротивления, а от какой-нибудь другой схемы (дистанционное управление, управление от вычислительной машины). Бывает, что детали тиристорного регулятора находятся под большим напряжением и непосредственное присоединение к ним опасно. В этих случаях вместо переменного сопротивления можно использовать оптрон.

Рис. 13.

Пример включения оптрона в схему тиристорного регулятора показан на рис. 13. Здесь используется транзисторный оптрон типа 4 N 35. База его фототранзистора (вывод 6) соединена через сопротивление с эмиттером (вывод 4). Это сопротивление определяет коэффициент передачи оптрона, его быстродействие и устойчивость к изменениям температуры. Автор испытал регулятор с указанным на схеме сопротивлением 100 k W , при этом зависимость выходного напряжения от температуры оказалась ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, т. е. при очень сильном нагреве оптрона (оплавилась полихлорвиниловая изоляция проводов) выходное напряжение уменьшалось. Вероятно, это связано с уменьшением отдачи светодиода при нагреве. Автор благодарит С. Балашова за советы по использованию транзисторных оптронов.

Рис. 14.

При регулировке схемы управления тиристором иногда бывает полезна подстройка порога срабатывания транзисторов. Пример такой подстройки показан на рис. 14.

Рассмотрим также пример схемы с тиристорным регулятором на большее напряжение (см. рис. 15). Схема питается от вторичной обмотки силового трансформатора ТСА-270-1, дающей переменное напряжение 32 V . Номиналы деталей, указанные на схеме, подобраны под это напряжение.

Рис. 15.

Схема на рис. 15 позволяет плавно регулировать выходное напряжение от 5 V до 40 V , что достаточно для большинства устройств на полупроводниковых приборах, таким образом, эту схему можно взять за основу при изготовлении лабораторного источника питания.

Недостатком этой схемы является необходимость рассеивать достаточно большую мощность на пусковом сопротивлении R 7. Понятно, что чем меньше ток удержания тиристора, тем больше может быть величина и меньше мощность пускового сопротивления R 7. Поэтому здесь предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания.

Кроме обычных тиристоров в схеме тиристорного регулятора может быть использован оптотиристор. На рис. 16. приведена схема с оптотиристором ТО125-10.

Рис. 16.

Здесь оптотиристор просто включен вместо обычного, но т.к. его фототиристор и светодиод изолированы друг от друга, схемы его применения в тиристорных регуляторах могут быть и другими. Заметим, что благодаря малому току удержания тиристоров ТО125 пусковое сопротивление R 7 требуется менее мощное, чем в схеме на рис. 15. Поскольку автор опасался повредить светодиод оптотиристора большими импульсными токами, в схему было включено сопротивление R6. Как оказалось, схема работает и без этого сопротивления, причем без него схема лучше работает при низких напряжениях на выходе.

Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором

При разработке высоковольтных источников питания с тиристорным регулятором за основу была взята схема управления оптотиристором, разработанная В. П. Буренковым (ПРЗ) для сварочных аппаратов.Для этой схемы разработаны и выпускаются печатные платы. Автор выражает благодарность В. П. Буренкову за образец такой платы. Схема одного из макетов регулируемого выпрямителя с использованием платы конструкции Буренкова приведена на рис. 17.

Рис. 17.

Детали, установленные на печатной плате обведены на схеме пунктиром. Как видно из рис. 16, на плате установлены гасящие сопротивления R 1 и R 2, выпрямительный мост VD 1 и стабилитроны VD 2 и VD 3. Эти детали предназначены для питания от сети 220 V . Чтобы испытать схему тиристорного регулятора без переделок в печатной плате, использован силовой трансформатор ТБС3-0,25У3, вторичная обмотка которого подключена таким образом, что с нее снимается переменное напряжение 200 V , т. е. близкое к нормальному питающему напряжению платы. Схема управления работает аналогично описанным выше, т. е. конденсатор С1 заряжается через подстроечное сопротивление R 5 и переменное сопротивление (установлено вне платы) до того момента, пока напряжение на нем не превысит напряжение на базе транзистора VT 2, после чего транзисторы VT 1 и VT2 открываются и происходит разряд конденсатора С1 через открывшиеся транзисторы и светодиод оптронного тиристора.

Достоинством данной схемы является возможность подстройки напряжения, при котором открываются транзисторы (при помощи R 4), а также минимального сопротивления во времязадающей цепи (при помощи R 5). Как показывает практика, иметь возможность такой подстройки весьма полезно, особенно если схема собирается в любительских условиях из случайных деталей. При помощи подстроечных сопротивлений R4 и R5 можно добиться регулировки напряжения в широких пределах и устойчивой работы регулятора.

С этой схемы я начинал свои ОКР по разработке тиристорного регулятора. В ней же и был обнаружен пропуск запускающих импульсов при работе тиристора на емкостную нагрузку (см. рис. 4). Желание повысить стабильность работы регулятора привело к появлению схемы рис. 18. В ней автор опробовал работу тиристора с пусковым сопротивлением (см. рис 5.

Рис. 18.

В схеме рис. 18. использована та же плата, что и в схеме рис. 17, только с нее удален диодный мост, т.к. здесь используется один общий для нагрузки и схемы управления выпрямитель. Заметим, что в схеме на рис. 17 пусковое сопротивление подобрано из нескольких параллельно включенных чтобы определить максимально возможное значение этого сопротивления, при котором схема начинает устойчиво работать. Между катодом оптотиристора и конденсатором фильтра включено проволочное сопротивление 10 W . Оно нужно для ограничения бросков тока через опторитистор. Пока это сопротивление не было установлено, после поворота ручки переменного сопротивления оптотиристор пропускал в нагрузку одну или несколько целых полуволн выпрямленного напряжения.

На основании проведенных опытов была разработана схема выпрямителя с тиристорным регулятором, пригодная для практического использования. Она приведена на рис. 19.

Рис. 19.

Рис. 20.

Печатная плата SCR 1 M 0 (рис. 20) разработана для установки на нее современных малогабаритных электролитических конденсаторов и проволочных сопротивлений в керамическом корпусе типа SQP . Автор выражает благодарность Р. Пеплову за помощь с изготовлением и испытанием этой печатной платы.

Поскольку автор разрабатывал выпрямитель с наибольшим выходным напряжением 500 V , потребовалось иметь некоторый запас по выходному напряжению на случай снижения напряжения сети. Увеличить выходное напряжение оказалось возможным если пересоединить обмотки силового трансформатора, как показано на рис. 21.

Рис. 21.

Замечу также, что схема рис. 19 и плата рис. 20 разработаны с учетом возможности их дальнейшего развития. Для этого на плате SCR 1 M 0 имеются дополнительные выводы от общего провода GND 1 и GND 2, от выпрямителя DC 1

Разработка и налаживание выпрямителя с тиристорным регулятором SCR 1 M 0 проводились совместно со студентом Р. Пеловым в ПГУ. C его помощью были сделаны фотографии модуля SCR 1 M 0 и осциллограмм.

Рис. 22. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны деталей

Рис. 23. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны пайки

Рис. 24. Вид модуля SCR 1 M 0 сбоку

Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении

№ п/п	Минимальное положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	2 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	50 В/дел 2 мс/де

Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении

№ п/п	Среднее положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	2 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел

Таблица 3. Осциллограммы при максимальном напряжении

№ п/п	Максимальное положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	1 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел

Чтобы избавиться от этого недостатка схема регулятора была изменена. Было установлено два тиристора – каждый на свой полупериод. С этими изменениями схема испытывалась несколько часов и “выбросов” замечено не было.

Рис. 25. Схема SCR 1 M 0 с доработками

В отличие от низковольтных источников питания напряжение вторичной обмотки трансформатора уже известно (230 В), поэтому расчет схемы стабилизатора напряжения должен будет производиться, исходя из этого значения несглаженного высоковольтного напряжения, а не в обратном порядке.

Мостовой выпрямитель будет заряжать накопительный конденсатор до напряжения 325 В. Хотя существуют герметизированные схемы-сборки мостовых выпрямителей, предназначенные для таких напряжений, все-таки безопаснее будет использовать дискретные полупроводниковые диоды, так как это позволит использовать увеличенные расстояния между выводами и уменьшит риск случайно закоротить выводы выпрямителя. Если принято решение использовать дискретные диоды, то следует использовать быстродействующие диоды с малым временем восстановления, такие, например, как RHRD4120 или STTA512D (предельное значение обратного напряжения V RRM составляет 1200 В). Эти диоды характеризуются как меньшими значениями токов выброса, так и меньшей их длительностью по сравнению со стандартными диодами с р-n переходами и, следовательно, меньшим уровнем шумов. Еще лучше было бы использовать диоды Шоттки, изготовленные из карбида кремния, для которых значение V RRM составляет 600 В, и которые стали доступными для применения в последнее время (например SDO1060). Если необходимо использовать диоды с напряжением V RRM > 1500 В, но со значением тока I DC < 500 мА, то могут оказаться полезными небольшие диоды, например BY228, которые первоначально предназначались для использования в качестве демпфирующих диодов (или гасящих диодов по номенклатуре изделий США) в схемах строчной развертки телевизоров. В рассматриваемых схемах, как правило, необходимы не очень высокие значения непрерывно потребляемого тока (около 100 мА), поэтому выбор будет остановлен на элементах с наиболее низкими значениями рабочих токов, но превышающих указанное значение, так как диоды, которые рассчитаны на более высокие значения токов всегда имеют меньшее быстродействие и более высокий уровень шумов.

Максимальное рабочее напряжение разрабатываемого стабилизатора напряжения должно составлять 300 В, тогда как максимальное напряжение на накопительном конденсаторе выпрямителя составит 325 В. Следовательно можно допустить суммарное падение напряжения 25 В, вызванное падениями напряжений на самом стабилизаторе, полупроводниковых диодах и пульсаций напряжения на конденсаторе. Если применить вновь ранее уже использовавшийся критерий, в соответствии с которым для напряжения пульсаций принималось значение 5%, то величина напряжения пульсаций составит примерно 17 В. Однако, падение напряжения в 17 В за счет пульсаций будет гораздо больше того значения от общей величины в 25 В, что можно было бы допустить с учетом дополнительных падений напряжения на других элементах. Поэтому было бы совсем неплохо уменьшить это значение до 10 В, либо еще меньше. В силу этого, идеальным для использования оказался бы накопительный конденсатор с емкостью 220 мкФ и низким значением эквивалентного последовательного сопротивления. Следует отметить, что такой конденсатор, заряженный до 325 В запасет на своих обкладках значительную энергию, поэтому при проверке цепей схемы с таким конденсатором надо проявлять особо высокую осторожность.

После вышеизложенных рассуждений можно приступить к рассмотрению схемы стабилизатора, начиная со схемы делителя напряжения (рис. 6.44).

Если по цепи делителя пропустить ток величиной 5 мА, то на нижнем резисторе падение напряжения должно составить примерно 300 В, поэтому понадобится резистор с сопротивлением 60 кОм и мощностью рассеяния 1,5 Вт. Если вместо этого резистора использовать другой, например, имеющий сопротивление 220 кОм и мощность рассеяния 2 Вт, то на этом резисторе будет выделяться мощность всего 0,4 Вт, которая оказывается вполне допустимой. Далее, такая замена дает и другое преимущество, заключающееся в том, что из-за того, что сопротивление резистора верхнего плеча делителя должно возрасти, то эквивалентное сопротивление Тевенина также увеличится, поэтому понадобится конденсатор, который шунтирует вывод Настройка (ADJ) на землю, с меньшим значением емкости. Так как цепь смещения не потребляет ток 5 мА(минимальное значение тока нагрузки, обеспечивающее правильное функционирование интегрального стабилизатора напряжения 317 серии), отсутствие нагрузки на выходе стабилизатора напряжения вызовет увеличение выходного напряжения. Однако лампы, для которых осуществляется предварительный подогрев катодов в режиме пониженного энергопотребления, будут всегда обеспечивать необходимую нагрузку стабилизатора, а поэтому данная проблема не окажется существенной.

Рис. 6.44 Практическая схема источника стабилизированного напряжения на 300 В

Примечание. Как транзистор MJE340, так и интегральный стабилизатор напряжения 317Т серии должны монтироваться с применением тщательно выполненной электрической изоляции на соответствующих теплоотводящих радиаторах. В качестве радиаторов можно использовать алюминиевый уголок с толщиной стенки 3 мм.

По нижнему резистору с сопротивлением 220 кОм протекает ток величиной 1,358 мА, причем ток 50 мкА является током смещения, протекающим через вывод Настройка интегрального стабилизатора напряжения 317 серии. По резистору верхнего плеча будет протекать, следовательно, ток 1,308 мА, который должен вызвать на нем падение напряжения 1,25 В. Таким образом, величина сопротивления верхнего резистора должна будет составить 955,7 Ом. Однако точность задания величины опорного напряжения интегрального стабилизатора 317 серии составляет 4%, поэтому есть небольшой допуск на величину сопротивления указанного резистора. Можно было бы использовать для подгонки переменный резистор, однако, их надежность гораздо меньше, чем у постоянных резисторов, а отказ одного из компонентов схемы с высоковольтными кремниевыми приборами может привести практически к катастрофическим последствиям. Более безопасным вариантом окажется использование постоянного резистора со стандартным значением сопротивления 1 кОм, но при этом надо предусмотреть место для установки дополнительного параллельно включаемого резистора, точная величина которого будет подбираться при настройке всей схемы, так называемый настраиваемый при регулировке элемент (в западной литературе часто обозначается, как АОТ).

Перед тем, как собирать схему, необходимо замерить и записать точное значение сопротивления резистора, обозначенного в схеме, как 220 кОм, мощность 2 Вт (так как вполне возможно, что его действительная величина будет немного отличаться от паспортной и составит, например, 221 Ом). После сборки схемы может оказаться, что выходное напряжение будет составлять, например, 290 В. Благодаря цепи делителя напряжения падение напряжения на резисторе 220 кОм должно составлять 288,75 В, поэтому величина протекающего по нему тока составит 1,307 мА. Для определения величины тока в верхнем резисторе необходимо из этого значения тока вычесть собственный ток смещения стабилизатора напряжения, равный 50 мкА (после чего величина тока верхнего резистора составит 1,257 мА). Умножение полученного значения тока на сопротивление 1 кОм верхнего резистора даст величину опорного напряжения (1,257 В)

После этого можно продолжить работу по настройке схемы. Если разделить напряжение 298,74 В на сопротивление 221 кОм, то получится ток, равный 1,352 мА. После этого надо вычесть ток смещения, равный 50 мкА, что даст значение 1,302 мА и разделить на него величину опорного напряжения 1,257 В. Результат деления даст требуемую величину сопротивления, равную 965,6 Ом. Включение резистора с сопротивлением 27 кОм параллельно с уже имеющимся резистором 1 кОм даст точное значение высоковольтного напряжения 300 В. Хотя описанный метод и кажется очень усложненным и нудным, он гарантирует гораздо более высокую степень безопасности по сравнению с использованием подстроечного переменного резистора.

Эквивалентное сопротивление Тевенина относительно вывода Настройка стабилизатора составляет примерно 950 Ом, что требует использования шунтирующего на землю конденсатора с емкостью 1,5 мкФ. Такой конденсатор очень дорог и занимает большой объем (рабочее напряжение 400 В), поэтому величина емкости обычно уменьшается до 470 пФ и используется соответствующий по типу стандартный конденсатор.

В рекомендациях по применению, которые заполонили технические паспорта этой группы стабилизаторов напряжения, требуется устанавливать резистор между эмиттером последовательно включенного транзистора и интегральным стабилизатором 317 серии, чтобы ограничить ток короткого замыкания. В других схемах, в частности, предложенной, Дж. Дж. Курцио (J. J. Curcio) также сохраняется данный резистор по целому ряду причин, хотя его величина часто уменьшена для снижения падения напряжения на нем. Введение подключенного к земле конденсатора на выходе стабилизатора обеспечивает ВЧ фильтрацию, что улучшает устойчивость работы стабилизатора напряжения. Некоторым недостатком такого варианта можно считать, что в этом случае будет отсутствовать возможность спасительного для стабилизатора закорачивания на землю возможных токов короткого замыкания.

Резистор с сопротивлением 31 кОм, включенный последовательно со стабилитроном с рабочим напряжением 15 В, задает ток стабилитрона. Для снижения шумов и максимальной устойчивости ток стабилитрона должен превышать значение 5 мА. Известно, что на выходе стабилизатора напряжение составляет 300 В, поэтому напряжение на верхней точке стабилитрона должно будет составлять 315 В. При величине тока стабилизатора 100 мА, на накопительном конденсаторе напряжение пульсаций составит примерно 5 В двойного амплитудного (пик-пикового) значения, поэтому среднее значение постоянного напряжения составит: (339 - 2,5) В = 336,5 В. Следовательно, напряжение на резисторе с сопротивлением 31 кОм составит (336,5 В - 315В), а ток, протекающий через стабилитрон, составит 7,2 мА. Поэтому, если возникнет необходимость изменить напряжение, поступающее на стабилизатор напряжения, то величина сопротивления этого резистора должна быть пересчитана заново, чтобы обеспечить необходимое значение тока стабилитрона.

Выпрямитель - это устройство, преобразующее переменное разнополярное напряжение в пульсирующее однополярное. Такое преобразование можно осуществить с помощью одного или нескольких вентилей - приборов с односторонней проводимостью, включенных по определенной схеме.

Для выпрямителей в качестве вентилей можно использовать электровакуумные (кенотроны), ионные (газотроны) и полупроводниковые диоды, обеспечивающие протекание тока только в одном направлении.

Наиболее распространены полупроводниковые диоды, имеющие по сравнению с кенотронами и газотронами меньшие габариты и вес, большие срок службы и механическую прочность. Полупроводниковые диоды потребляют малую мощность, так как не нуждаются в цепи накала.

Недостатком полупровониковых диодов является сильная зависимость их параметров от температуры. Предельная рабочая температура для германиевых диодов, для кремниевых.

Если обратное напряжение в схеме выпрямителя превышает допустимое обратное напряжение данного типа вентиля, то для обеспечения надежной работы выпрямителя можно использовать последовательное соединение вентилей. В этом случае при одинаковых обратных сопротивлениях вентилей напряжение распределяется поровну между отдельными вентилями. Например, если имеем три последовательно включенных Вентиля (рис. 8.1), то обратное напряжение, приложенное к каждому из них, равно .

При разбросе значений обратных сопротивлений, что харатерно для полупроводниковых диодов, обратное напряжение, приложенное к каждому из диодов, различно. Наибольшее обратное напряжение падает на диоде с наибольшим обратным сопротивлением и может превысить для данного типа диода.

Для равномерного распределения обратного напряжения между последовательно включенными диодами каждый из них шунтируют резистором (рис. 8.1), сопротивление которого на порядок меньше обратного сопротивления данного типа диодов.

При выборе типа вентиля для выпрямителя кроме необходимо также знать максимально допустимый прямой ток через вентиль. Этот параметр связан с максимально допустимой мощностью, выделяемой на диоде, соотношением

где - падение напряжения на открытом диоде при протекании тока , которое составляет для германиевых диодов примерно , а для кремниевых - .

По значению полупроводниковые диоды условно разделяют на маломощные , средней мощности и мощные .

Для выпрямления токов, больших , можно использовать параллельное включение вентилей (рис. 8.2). Выпрямленный ток распределяется поровну между параллельно соединенными вентилями, если их прямые сопротивления равны.

Включении полупроводниковых диодов необходимо учитывать разброс сопротивлений . Наибольший ток протекает через диод с меньшим прямым сопротивлением. Для равномерного распределения токов в каждую ветвь последовательно с диодом включают небольшое добавочное сопротивление .

Обычно выпрямители используются как основные элементы источников питания радиоэлектронной аппаратуры постоянным током. Общая структурная схема такого источника питания представлена на рис. 8.3. В схеме силовой трансформатор изменяет стандартное переменное напряжение сети до такого значения, при котором на выходе выпрямителя обеспечивается заданное постоянное напряжение.

Наличие пульсаций на выходе выпрямителя ухудшает работу большинства потребителей энергии постоянного тока. Например, колебания напряжения питания усилителя могут, накладываясь на полезный сигнал, существенно исказить форму выходного сигнала.

Пульсации на выходе выпрямителя уменьшаются при включении сглаживающих фильтров и стабилизаторов постоянного напряжения.

Для оценки пульсаций на выходе выпрямителя вводится коэффициент пульсаций , определяемый как отношение амплитуды основной (первой) гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения, т. е.

Постоянная составляющая представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

и обычно является исходной величиной при расчете выпрямителя.

Постоянная составляющая выпрямленного тока также задается при расчете выпрямителя

Рис. 6.44 Практическая схема источника стабилизированного напряжения на 300 В

Министерство образования и науки Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МИТ

Дисциплина «Основы электроники»

Отчет по

Лабораторной работе №3

«Исследование выпрямителей и стабилизаторов»

Выполнили: ст. гр. ОИБ-234

Васильев Д.

Коротенкова К.

Осипов Е.

Принял: Шапаренко Ю.М.

Санкт-Петербург

Цель работы: Экспериментальное ознакомление с принципом действия полупроводниковых выпрямителей и стабилизатора выпрямленного напряжения.

Теоретические сведения:

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры нужен постоянный ток, поэтому необходимо преобразование переменного напряжения и тока исходной питающей сети в постоянное напряжение и ток требуемого уровня. Такое преобразование осуществляется выпрямителями переменного тока.

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

Структура однофазного полупроводникового выпрямителя с нагрузкой приведена на Рис.1 Главным узлом такого выпрямителя является диодная схема(ДС) на одном или, как правило, нескольких полупроводниковых диодах(диодный мост).

Переменное напряжение сети U1,поступает к диодам через силовой трансформатор Тр, который трансформирует это напряжение в переменное напряжение U2, необходимого уровня.

ДС обеспечивает одностороннее протекание тока- преобразуует переменный синусоидальный ток в пульсирующий ток, состоящий на выходе ДС из однополярных полуволн Uд(t) (Рис.2) Полярность полуволн Uд(t) определяется соответствующей полярностью включения диодов в ДС. Пульсирующее напряжение Uд(t) содержит нужную («полезную») постоянную составляющую, но содержит также нежелательную переменную компоненту, которая имеет(в случае однополупериодного выпрямителя) частоту сети; она называется основной гармоникой или пульсацией. В простейших выпрямителях допускается наличие подобных пульсаций, нагрузка подключается непосредственно к выходу ДС.

Исследование выпрямителей и стабилизаторов.

Для снижения уровня пульсации используются различные сглаживающие фильтры(СФ на Рис.1). На входе СФ напряжение имеет низкий уровень пульсации и является уже практически постоянным напряжением на нагрузке Uн. К основным электрическим параметрам выпрямителя относят: средние значение выпрямленных напряжения и тока в нагрузке Uн, Iн, внешнюю характеристику; коэффициент пульсаций и др. Внешняя характеристика является одной из важнейших характеристик выпрямительного устройства; она представляет собой зависимость выпрямленного напряжения на нагрузке Uн от выпрямленного тока нагрузки Iн: Uн=φIн. Обычно напряжение Uн не линейно снижается с ростом тока Iн.

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя без сглаживающего фильтра:

ДС включает только диод VD1. Он пропускает в нагрузку Rн лишь положительную половину тока iн, т.к. оказывается открытым(прямосмещенным) только при положительной полуволне напряжения U2.

Выпрямленное напряжение на нагрузке может претерпевать сравнительно медленные изменения своего уровня. Это происходит при изменении напряжения питающей сети, при колебаниях частоты тока в ней, при изменении нагрузки, температуры среды и при других дестабилизирующих факторах.

Стабилизация напряжения питания осуществляется стабилизаторами(Ст) постоянного напряжения, которые включаются после выпрямителя(содержащего СФ) и поддерживают напряжение на нагрузке с заданной степенью точности. Простейшими из таких Ст