Тема № 6. Елементна база мікропроцесорної техніки

2. Некеровані випрямлячі

Некеровані випрямлячі призначені для перетворення змінної напруги в постійну нерегульованої величини. Знаходять як самостійне використання у якості джерела постійного струму, так і входять до складу більшості перетво­рювальних пристроїв.

У некерованих випрямлячах є жорсткий зв’язок між напругою живлення трансформатора і випрямленою напругою (див. табл. 2.1). На практиці є приймачі, що потребують регулювання випрямленої напруги в широких межах (регульовані електроприводи постійного струму). Із використанням некерованих випрямлячів це можливо шляхом регулювання вхідної змінної напруги за допомогою автотрансформаторів. Однак потужні автотрансформатори вимагають наявності потужних контактних перемикачів для змінювання кількості витків, не дозволяють змінювати коефіцієнт трансформації плавно, вимагають складних приводів для цих перемикачів. Окрім того, такі пристрої мають низьку швидкодію, тому в наш час для цих цілей отримали використання керовані випрямлячі (КВ) на безконтактних керованих перемикаючих пристроях - тиристорах, для керування якими використовують малопотужні електронні пристрої.

Структура випрямлячів

На вході (рис. 2.1) для перетворення змінної напруги джерела и₁ (діюче зна­чення) до значення и₂, що забезпечує необхідний рівень напруги на виході ви­прямляча, встановлюють силовий тран­сформатор (ТУ). Окрім того, трансфор­матор може використовуватися для перетворення кількості фаз напруги. Подальший процес перетворення міс­тить у собі низку послідовних етапів - випрямлення, згладжування і стабіліза­цію, що ілюструють часові діаграми на рисунку 2.1, де зображені миттєві зна­чення напруги.

На стадії випрямлення змінна на­пруга и₂ з виходу ТУ за допомогою ве­нтильної групи (ВГ), яка складається з декількох вентилів - випрямних діодів, перетворюється в пульсуючу напругу одного напрямку и_В. Форма кривої и_В, як показано нижче, залежить від схеми ви­прямлення - спільним є те, що значення иВ періодично змінюється (пульсує). Якщо навантаження увімкнути безпосе­редньо на вихід ВГ, то струм у ньому і_Н=и_В/R_Н - також буде пульсуючим.

Відомо, що періодичну несинусоїдальну функцію можна розкласти в гар­монійний ряд Фур'є, який для напруги и_В(ож) має вигляд

u_B(w)=U₀+U_1msin(wt+ψ₁)+U_2msin(2wt+ ψ₂)+...+U_kmsin(kwt+ ψ_k), ( 2.1)

де U₀ - постійна складова (нульова гармоніка), иі=U_іт-sіп((wt+ψ₁) - 1-ша гармоніка напруги и_В з амплітудою и_1т і частотою мережі - w, наступні складо­ві - вищі гармоніки и₂,...,и_к напруги и_В з амплітудами и_2т ...и_кт і кратними (ча­стотами 2w,..., кw.

Постійна складова розкладання (2.1) визначається як середнє за період значення и_В

Рисунок 2.1 - Структура некерованого випрямляча

Амплітуди змінних складових можна визначити виходячи з амплітуд синусного та косинусного рядів (див. п. 2.1.3).

Для струму і_Н розкладання має аналогічний вигляд. Таким чином, випрямлені и_В та і_Н можна подати у вигляді суми постійної і змінних їхніх складових. Наприклад, криву пульсуючої напруги и_П (рис. 2.2) можна отримати, склавши напруги U_О і u₁, чому відповідає розкладання и_П=U₀+U1_ітsinwt.

Реальні криві випрямленої напруги мають більш складний вигляд і, відповідно, більшу кількість гармонійних складових. Діючі значення напруги і струму, що пульсують:

На відміну від постійного струму, де Uс_Р=U, І_СР=І, діючі значення пульсуючих напруги і струму U>U_ср, І>І_СР. Корисними для приймачів постійного струму є лише середні значення напруги U_СР і струму І_СР. Наявність гармонійних складових обумовлює додаткові витрати енергії на нагрівання. Пульсації струму в машинах постійного струму викликають шкідливі пульсації електромагнітного моменту. Практично неприпустимі пульсації напруги живлення для електронних пристроїв.

Для зниження пульсацій випрямленої напруги (струму) до припустимого для навантаження значення, застосовують згладжувальні фільтри (ЗФ) із застосуванням реактивних L і С елементів. При цьому змінні складові не проходять крізь фільтр - виділяються на ньому, а на виході отримують практично незмінне значення U₀. Реальне значення напруги на виході фільтру U_Ф (рис. 2.1) має деякі пульсації відносно значення U₀, які значно менші ніж пульсації иВ.

Для живлення електронних пристроїв звичайно використовують стабілізатор напруги (СТ), що забезпечує постійність напруги на навантаженні із змінюванням його опору, або напруги живлення U₁. У деяких випадках елементи, що подані на рисунку 2.1, можуть бути відсутніми (наприклад, ТV, якщо напруга U₁ відповідає значенню потрібної напруги на навантаженні, або стабілізатор, якщо стабілізації напруги не потребується).

Основні схеми випрямлення

Для спрощення аналізу роботи розглядаються ідеалізовані схеми випрям­лячів. При цьому нехтуємо активним і реактивним опорами мережі змінного струму (силового трансформатору) і вважаємо вентилі (ключі) схеми ідеальними (нехтуємо прямим падінням напруги і процесами перемикання).