Тема: Вторинні джерела живлення

1.Випрямлячі змінного струму.

2.Згладжувальні фільтри.

3.Стабілізатори.

4.Перетворювачі частоти .Інвертори.

Джерела живлення різних споживачів ділять на первинні і вторинні.

Первинні джерела перетворюють неелектричиі види енергії (механічну, хімічну, термо- і фотоелектричну) в елек­тричну. Джерела вторинні використовують постійний струм, перетво­рений із змінного за допомогою блоків живлення.

Блок живлення – пристрій, призначений для забезпечення живлення споживачів постійного струму від джерела змінного струму.

За частотою роботи трансформатора блоки живлення поділяють на:

- лінійні  низькочастотні 50 Гц

- імпульсні високочастотні 20-50 кГц (інвертори)

Структурна схема лінійного блока живлення .

 

Блок живлення  складається з таких елементів:

- силовий трансформатор, який забезпечує підвищення або зниження напруги мережі змінного струму до потрібної величини;

- випрямлячі, складається з одного або кількох вентилів схема з'єднання яких визначає тип випростувача;

- згладжуючий фільтр, який зменшує пульсацію спрямленого струму.

- стабілізатор напруги — це пристрій, призначені для підтримання сталого значення напруги на навантажені.

В схему блок живлення , крім цих основних елементів, можуть входити різні допоміжні пристрої, призначені для регулювання спрямленої напруги, включення і виключення спрямовувача, захисту спрямовувача від пошкодження при порушення нормального режиму роботи, контрольно–вимірювальні прилади.

1.Випрямлячі змінного струму.

Випрямлячі це пристрої які призначені для – перетворення змінного струму в пульсуючий постійний;

Класифікуються випрямлячі:

За кількістю фаз змінного струму мережі живлення

-однофазні - що працюють від однофазної мережі змінного струму

- трифазні- що працюють від трифазної мережі змінного струму

За можливістю зміни вихідної напруги:

- некеровані в яких напруга на виході не змінюється і в якості вентилів використовують діоди,

- керовані - в яких напруга на виході змінюється і в якості вентилів використовують тиристори.

За схемою з'єднання вентилів:

- однопівперіодна,

- двохпівперіодна з нульовим виводом

- мостова схема

- схема з множенням напруги

Основні характеристики випрямляча:

- значення спрямленої напруги;

- допустимий струм навантаження;

- коефіцієнт пульсацій – відношення амплітуди першої гармоніки до постійної складової

Кп = Um/U0.

Однопівперіодна схема це схема в якиій струм через навантаження проходить тільки протягом одного півперіоду за період зміни напруги мережі.

Коли до діода надходить півхвиля додатної полярності (на аноді – “+”, на катоді – “–“), висота потенціального бар’єру переходу знижується носії зарядів – дірки із p-області і електрони із п-області легко долають цей бар’єр і забезпечують протікання прямого струму в колі (іпр). При цьому на навантаженні Rн утворюється напруга у вигляді додатних півхвиль.

При появі на діоді від’ємної півхвилі (на аноді – “–”, на катоді – “+ “) сумарне електричне поле на р-п переході (потенціальний бар’єр і зовнішня напруга) збільшується, що перешкоджає проходженню зарядів через р-п перехід. Струм в навантаженні дорівнюватиме незначному зворотному струму (ізв) а напруга на навантаженні буде близькою до нуля.

Отже, завдяки односторонній провідності струм через діод і навантаження проходить тільки в тій частині періоду, коли полярність напруги відповідає прямій напрузі діода. Під час другого півперіоду струм через навантаження не проходить .

Коефі­цієнт пульсацій схеми - Кп = 1,57 .

Двохпівперіодна схема з середньою точкою це схема в яких струм через навантаження проходить протягом обох півперіодів за період зміни напруги мережі.

 

У схемі вторинна обмотка трансформатора, яка має середню точку (нульову точку), що забезпечує отримання двох напруг U'2, U"2 однако­вої амплітуди, але протилежної полярності. Коли на вторинній обмотці трансформатора додатна півсинусоїда напруги U'2, то струм прохопить через діод VD1-RH, діод VD2 в цей момент закритий., І навпаки, коли додатна півсинусоїда напруги U"2 - струм проходить через VD2- RH діод VD1 в цей момент закритий. Отже, струм через навантаження визначається сумою струмів обох діодів і проходить протягом усього періоду, тобто іd = іvl + іv2 . Коефіцієнт пульсацій - Кп = 0,67. Випрямлена напруга та струм більше у два рази, ніж у однопівперіодній схемі.

Мостова схема це схема в якій діоди VD1 – VD3 та VD2 – VD4 утворюють плечі електричного мосту, в одну діагоналі якого включені вторинна обмотка трансформатора а в іншу - навантаження.

У випадку додатної півсинусоїди напруги вторинної обмотки трансформатора струм проходить через вторинну обмотку діод - VD1- Rн- діод VD3 і знову на обмотку. Діоди VD2, VD4 у цей півперіод закриті. А у випадку від'ємної півсинусоїди напруги вторинної обмотки трансформатора струм проходить через вторинну обмотку діод – VD2- Rн- діод VD4 і знову на обмотку. Діоди VD1, VD3 у цей півперіод закриті. В обох випадках струм через навантаження Rн протікає в обидва півперіоди і має однаковий напрям . Коефіцієнт пульса­цій — Кп = 0,67 .

Керовані випрямлячі використовують керо­вані напівпровідникові елементи тиристори. Як уже відзначалось, у них є керуючий електрод, а перехід від закритого до відкрито­го стану здійснюється за умови додатного потенціалу на аноді та наявності імпульсу керування на електроді керування. Схеми керова­них випрямлячів такі ж самі, як і в некерованих. Для формування імпульсів керування, зміни моменту їх подання використовуються відповідні системи керування (СК). В більшості СК імпульси керу­вання формуються відносно анодної напруги випрямляча.

Робота керованих випрямлячів на прикладі двопівперіодної схеми. Імпульси керування Mk1,Mk2 подаються на відповідні електроди керування тиристорів із зсувом за фазою на кут a відносно переходу через нуль додатної півсинусоїди напруги між анодом і катодом кожного з тиристорів. Цей кут нази­вають кутом керування тиристора. Після подання імпульсу керуван­ня на тиристор він переходить у відкритий стан і закривається тільки тоді, коли струм через нього стає менший, ніж струм утримання тирис­тора (практично, коли струм тиристора дорівнює нулеві). Зміною кута керування тиристора регулюють середнє значення випрямленої напруги на навантажені. Керуючі імпульси можна зсувати на кут а відносно напруги живлення, тим самим змінювати кут відкривання тиристора в інтервалі 0° до π. При α=0 тиристор повністю відкритий, вихідний струм максимальний, оскільки протікає протягом всього півперіоду. По мірі збільшення α струм навантаження зменшується і при α=π тиристор закривається.

Вмпрямляч з множенням напруги. Використовуються для підвищення спрямленої напруги на навантаженні при заданій напрузі на вторинній обмотці трансформатора або при відсутності підвищуючого трансформатора.

Трифазні випрямлячі за схемою класифікують на:

-однопівперіодна трифазна з нульовим виводом (схема Міткевича);

-двохпівперіодна трифазна мостова (схема Ларіонова)

Трифазний випростувач з нульовим виводом складається з трифазного трансформатора, фази вторинної обмотки якого з'єднані зіркою, та трьох діодів, увімкнених в кожну фазу.

Роботу випростува­ча зручно аналізувати за допомогою часових діаграм . В пе­ріод часу t1-t2 найбільший додатний потенціал прикларено до анода VD1, тому він знаходиться у відкритому стані. Струм проходить че­рез діод (обмотку фази «а» - VD1-RA) протягом p/3 тобто до мо­менту часу t2, коли у відкритий стан переходить VD2, оскільки в цей момент часу до його анода прикладено найбільший додатний потен­ціал фази «B». Через VD2 струм проходить в проміжок часу від t2 до t3. Відповідно через VD3 струм проходить в період часу t3-t4. Отже кожний з фазних струмів проходить на протязі одного півперіоду за період через вентиль і навантаження. Кожний з вентилів відкривається тоді, коли напруга на його аноді стає більша від напруги на інших фазах.

Коефіцієнт пульсацій для такої схеми Кп= 0,25

Трифазний мостовий випрямляч має шість діодів - по два на кожну фазу. Три діоди, катоди яких з’єднують у загальну точку, називають катодною групою- VD2, VD4, VD6, а решта три, аноди яких з’єднані в загальну точку, складають анодну групу- VD1, VD3, VD5. Між ними вмикають навантаження Rн.

Кожний вентиль пропускає струм протягом 1/3 періоду, тобто одночасно працюють два діоди – по одному із катодної і анодної гру­ші. У катодній групі буде працювати діод, у якого на аноді макси­мальна додатна амплітуда, а в анодній групі працює діод з максимальною відємною амплітудою на катоді. Тривалість роботи кожного діода стано­вить 60 град. ел. В інтервалі часу t1-t2 струм проходить по шляху: обмотка фази «а»—VD1—R—VD4 - обмотка фази «в». В інтерва­лі часу t2-t3 відбувається комутація діодів VD4 i VD6 і шлях проходження струму є такий: обмотка фази «а»— VD1—R—VD6 обмотка фази «с». Випрямлена напруга визначається в будь-який момент різницею напруг фаз з найбільшим додатнім і найбільшим від’ємним потен­ціалом, що є лінійною напругою, тобто навантаження приєднується через діоди до двох фаз вторинної обмотки трансформатора.

Таким чином, через навантаження струм проходить завжди в одному напрямку, а можливість використання від'ємних півсинусоїд забезпечує в схемі випростувача коефіцієнт пульсацій Кп= 0,057

2. Згладжувальні фільтри

Форма напруги на виході випростувачів не є достатньо гладкою й характеризується пульсаціями, зумовленими наявністю у випростаній напрузі вищих гармонік, їх вплив (кількісна характеристика) визна­чається коефіцієнтом пульсацій Кп. Сучасні пристрої електроніки вимагають малий рівень пульсацій випростаної напруги. Тому , для зниження рівня пульсацій, використовують згладжувальні фільтри, основною характеристикою яких є коефіцієнт згладжування

q = Kп.вх/кп.вих

де   Kп.вх , кп.вих коефіцієнти пульсацій випростаної напруги на вході та виході фільтра відповідно.

За принципом роботи та схемним рішенням згладжувальні фільт­ри поділяються на пасивні та активні (електронні).

Пасивні згладжувальні фільтри.

Пасивні згладжувальні фільтри базуються на фізичних властивос­тях пасивних елементів. Найширше використовуються схеми фільт­рів: типу «С»; типу «L» і типу «LC» RC-фільтр або їх комбінації .

;  і фільтр типу «LC» RC-фільтр

фільтр типу «С»	фільтр типу «L»	фільтр типу «LC»		фільтр типу «RC»
		Г подібн	П подібн	Г подібн	П подібн

 

фільтр типу «С» грунтується на властивості єм­ності нагромаджувати електричну енергію та явищі заряду-розряду конденсатора. Конденсатор заряджається тоді, коли вхідна напруга Uвх більша, ніж напруга на конденсаторі Uвих і розряджається через опір навантаження за умови Ubx< Uвих. Фільтр типу «С» застосовують у схемах випростувачів з потужніс­тю навантаження Р < 300 Вт.

фільтр типу «L» Послідовне з'єднання елементів Lф і Rн зумовлює відставання за фазою струму іd відносно напруги Uвх. Для збільшення ефективності згладжування використовують індук­тивності з феромагнітним осердям. Індуктивність нагромаджує магнітну енергію, що веде до збільшення тривалості проходження струму порівняно з тривалістю додатної напруги на діоді. Внаслідок цього зменшуються пульсації випростаної напруги на на­вантаженні. Ефективність роботи такого фільтра визначається співвідношен­ням wL>> Rн. Застосовують у схемах випростувачів з потужніс­тю навантаження більшою ніж 300 Вт.

Принцип роботи Г- чи П-подібних фільтрів є комбінацією простих фільтрів.

Ефективніше зменшити пульсації випростаної напруги можна за допомогою фільтра типу «LC». Такі фільтри використовують, коли опір навантаження дорівнює десяткам або сотням Ом. Їх принцип ро­боти грунтується на одночасному використанні згладжувальних власти­востей ємності та індуктивності. За схемною реалізацією поділяються на Г- подібні та П-подібні . Для ефективнішого згладжування використовуються П-подібні фільтри.

Для малопотужних випростувачів використовують RC-фільтри.

Активні згладжувальні фільтри

В сучасних пристроях електроніки використовуються фільтри, в яких основним елементом є транзистор. Відповідно, такі фільтри на­зивають електронними або активними.

Робота транзисторного фільтра базується на відмінності за вели­чиною опору транзистора для постійної та змінної складових струму колектора. Режим транзистора визначається робочою точкою, яку

вибирають на горизонтальній ділянці вихідної характеристики при цьому досягається зменшення пульсацій в 3-5 разів. Тобто ро­бота такого фільтра подібна до роботи фільтра типу «L».

Схеми фільтрів поділяють за способом вмикання навантаження, а саме, послідовно та паралельно до фільтра. Послідовне ввімкнення електронних фільтрів рекомендується для випростувачів з випростаною напругою 300+400 В, а паралельне ввімкнення — для випростувачів з напругою 0+10 В.

Розглянемо роботу активного фільтра на прикладі схеми з послі­довним вмиканням навантаження до фільтра (рис. а). Для того, щоб вищі гармоніки вхідного сигналу не проходили через перехід емітер-база й не підсилювались транзистором, вхідний струм фільт­рується ланкою СбRб. Резистор Rе і вхідний опір транзистора також є ланкою фільтра. Завдяки від'ємному зворотному зв'язку за струмом отримуємо згладжувальну дію конденсатора СБ і резистора RE.

Необхідною умовою роботи такого фільтра є наявність RC- ланки, стала часу якої повинна бути набагато більшою за період пульсацій основної гармоніки випростаної напруги .

На рисунку з права показано схему паралельного вмикання активного фільтра. Резистор RБІ призначений для задання робочої точки тран­зистора. Через елементи СБ, RБ2 проходить змінна складова струму бази, яка підсилюється транзистором й виділяється на резисторі Rф. Оскільки струм колектора зсунений за фазою щодо струму бази на p, то напруга на резисторі Rф є в протифазі до змінної складової вхідної напруги. В результаті змінна складова напруги на навантаженні знач­но послаблюється.

3. Стабілізатори

Стабілізатори напруги — це електронні пристрої, призначені для підтримання сталого значення напруги з необхідною точністю в зада­ному діапазоні зміни напруги джерела або опору навантаження (де­стабілізуючі чинники). За принципом роботи стабілізатори напруги поділяються на параметричні та компенсаційні.

Параметричний ме­тод стабілізації базується на зміні параметрів нелінійного елемента стабілізатора, залежно від зміни дестабілізуючого чинника, а стабілі­затор називають параметричним.

В компенсаційному методі стабілізації у вимірювальному елементі порівнюється величина, що стабілізується, з еталонною і виробляєть­ся сигнал неузгодження. Цей сигнал перетворюється, підсилюється і подається на регулювальний елемент.

Параметричні стабілізатори напруги

 

Особливості роботи такого стабілізатора напруги базуються на то­му, що напруга стабілітрона на зворотній ділянці його вольт-амперної характеристики Uст.доп змінюється незначно в широкому діапазоні зміни зворотного струму стабілітрона. Тобто коливання напруги на вході стабілізатора зумовлюють значну зміну струму стабілітрона при незначних змінах напруги на ньому.

Стабілізатори характеризуються коефіцієнтом стабілізації

Компенсаційні стабілізатори напруги

Робота компенсаційних (транзисторних) стабілізаторів напруги базується на порівнянні вихідної напруги стабілізатора з еталонною. Якщо вони не рівні між собою, то різниця цих напруг підсилюється й подається на регулювальний елемент, який відновлює вихідну напругу до стабілізованої величини. Такі стабілізатори дозволяють розширити діапазон стабілізованих напруг та забезпечити вищу якість стабіліза­ції (Кст.и > 50) порівняно з параметричними стабілізаторами.

4.Перетворювачі частоти .Інвертори.

 

Перетворювачі частоти - це пристрої для перетворення змінних (одно- чи трифазних) струмів однієї частоти в змінні (одно- чи трифазних) струми іншої частоти (незмінної або регулюваної). Залежно від призначення та схемної реалізації їх класифікують на перетворювачі частоти:

 

- з безпосереднім зв 'язком джерела живлення і навантаження  циклоконвертори;

 

- з проміжною ланкою постійного струму між: джерелом і навантаженням (використовуються в системах великої потужності);

 

- з проміжною ланкою змінного струму ( циклоінвертори).

 

Використовуються при необхідності регулювання частоти в широкому діапазоні. Перетворювачі частоти широко застосовують в електроприводах змінного струму, реалізованих на базі асинхронних машин, в електротермії, для живлення світлотехнічних пристроїв, в радіоелектронних пристроях.

 

Принцип перетворення частоти базується на використанні керованих елементів (транзисторів чи тиристорів).

 

Перетворювачі з безпосереднім зв'язком. Розглянемо як відбувається зміна частоти в однофазному перетворювачі з безпосереднім зв'язком. Схема містить трансформатор із середнім виводом на первинній обмотці та дві групи біполярно ввімкнутих тиристорів, що забезпечує роботу перетворювача в додатний і від'ємний півперіоди вхідного сигналу. Середній вивід трансформатора ділить первинну обмотку трансформатора на дві пів обмотки і необхідний для отримання на вторинній обмотці змінної напруги заданої частоти. В додатний півперіод напруги живлення працюють тиристори VS2 і VS3, а у від'ємний — VS1 і VS4, тривалість роботи яких визначається моментами подання імпульсів керування.

 

Якщо під час додатної пів синусоїди вхідної напруги відкрити тиристор VS2, то струм проходитиме через ліву пів обмотку трансформатора, якщо ж потім відкрити тиристор VS3, то тиристор VS2 закривається, а струм проходитиме вже через праву пів обмотку трансформатора. Завдяки протилежній спрямованості струмів у цих пів обмотках на вторинній обмотці трансформатора отримується змінна напруга U2. Аналогічно формується вихідна напруга трансформатора і під час від'ємної пів синусоїди вхідної напруги U1. Частота вихідної напруги перетворювача залежить від тривалості вмикання тиристорів. Для закриття тиристорів використано комутаційний конденсатор, який і є вузлом примусової комутації. Під час комутації тиристорів відбувається перезаряд конденсатора, внаслідок чого струм тиристора, що виходить з роботи дорівнює нулеві. В перетворювачах з примусовою комутацією частоту вихідної на пруги f2 можна регулювати вверх і вниз від частоти f1. Такі перетворювачі частоти мають високу надійність роботи, оскільки, при зриві інвертора в період від'ємної пів синусоїди напруги джерела живлення відкрита пара тиристорів автоматично закривається, тому що до анодів тиристорів прикладено від'ємний потенціал.

Перетворювачі з проміжною ланкою. Схеми перетворювачів частоти з проміжною ланкою містять автономні інвертори, які перетворюють постійний струм в змінний. Процес перетворення постійного струму в змінний називається інвертуванням і є оберненим до випростування струму. Під час цього процесу потік енергії спрямований з кола постійного струму в коло змінного струму. Якщо в колі змінного струму є джерело напруги, то процес інвертування можливий тільки за умови, що напрям струму буде протилежним до напряму напруги цього джерела. Залежно від умов інвертування, схеми поділяються на автономні інвертори та інвертори, ведені мережею. В автономних інверторах в колі змінного струму, куди інвертор пересилає енергію, відсутнє джерело змінної напруги і періодичність цієї напруги задається конкретною схемою інвертора. Для цього з допомогою керованих вентилів здійснюється комутація струму джерела постійної напруги, яка підтримується додатковими елементами (переважно конденсаторами або конденсаторами з індуктивністю).

 

Рис. Структурну схему перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму .

Такі перетворювачі складаються з керованого випростувача В, фільтра та автономного інвертора АІ. Регулювання частоти f2 вихідної напруги в такій схемі здійснюється інвертором за допомогою системи керування СКІ, а величини напруги U2 - керованим випростувачем з використанням системи керування СКВ. В окремих випадках регулювання частоти і величини вихідної напруги здійснюються тільки інвертором, випростувач виконується некерованим. Частота вихідної напруги регулюється в широкому діапазоні як вниз, так і вверх від частоти джерела живлення. Недоліком перетворювачів з проміжною ланкою постійного струму є подвійне перетворення енергії, що приводить до зниження ККД перетворювача, збільшення його встановленої потужності і маси. Проте, такі перетворювачі простіші за будовою порівняно з перетворювачами з безпосереднім зв'язком.

 

Рис. Перетворювачі частоти з проміжною ланкою змінного струму складаються з таких компонентів

 

В - випростувач, який перетворює змінну напругу в постійну; АІ-автономний інвертор, який перетворює постійну напругу в змінну напругу проміжної частоти;

 

ПЧ - безпосередній перетворювач частоти, який формує вихідну напругу заданої регульованої частоти або нерегульованої частоти. Недоліком перетворювачів частоти з проміжною ланкою змінного струму є потрійне перетворення енергії, що позначається на зниженні ККД перетворювача, складності силової схеми та системи керування. Регулювання частоти в перетворювачах може здійснюватись дискретно та плавно. В перетворювачах частоти з природною комутацією частота вихідної напруги регулюється тільки вниз від частоти джерела живлення . Плавність регулювання частоти в перетворювачах з проміжною ланкою змінного струму залежить від відношення проміжної частоти до вихідної. Чим більше це відношення тим вища плавність регулювання частоти, рівномірніше навантаження тиристорів, легше забезпечується синусоїдна форма вихідної напруги. Проте підвищення проміжної частоти обмежене частотними властивостями тиристорів, силових трансформаторів, дроселів і конденсаторів.

Інвентори – це пристрої перетворення постійного струму у змінний заданої величини і частоти.

Основним елементом його є безконтактний ключ на транзис­торах, тиристорах, працюючих за принципом відкритий-закритий.

 Схема інвертора на транзисторах.

 

Транзистори в схемі ввімкнені із спільним емітером. Самозбудження інвертора досягають введенням додатного зворотного зв’язку між вихідним колом колектора і вхідним базовим за допомогою обмоток W'оз і W''оз трансформатора Тр. Це призводить до почергового відкривання та закривання транзисторів VТ1, VТ2, наводячи в обмотці трансформатора змінний струм. Резистори R1 і R2 запускають інвертор (відкривають транзистори) під час вмикання живлення, тобто підтримують на базах невисокий від’ємний потенціал. Нехай у певний час VТ1 відкритий, струм його проходить по колу: +Е- обм. W'к –VТ1 - -Е, створюючи ер.с. на обмотці W'к з полярністю, як на схемі (+ вгорі W'к).

При цьому е.р.с. базової обмотки W'б створює на базі VТ1 від’ємний відкриваючий потенціал, а на обмотці е.р.с. створює на базі VТ2 додатній закриваючий потенціал, тобто VТ1 – відкритий, а VТ2 – закритий.

Це буде до того часу, доки магнітний потік осердя не досягне насичення (максимального значення), коли швидкість його зміни буде близькою до ну ля, струм в обмотках різко зменшиться, що призведе до появи в обмотках е.р.с. протилежної полярності (знаки показані в дужках). Тепер базова обмотка W''б відкриє VТ2 і потече струм по колу +Е- обм. W''к –VТ2 - -Е в протилежному напрямку .

Ці процеси протікають лавиноподібно і швидко, транзистор VТ2 буде повністю відкритим, а VТ1 – закритим. Коливання первинної обмотки трансформатора індукують у вторинній зміну напруги певної величини та частоти.

Застосовують потужніші інвертори, що перетворюють постій­ний струм у змінний, одно- чи трифазний з допомогою тиристорів.

 Схема інвертора на тиристорах.

У схемі інвертора однофазного з середньою точкою перемикання тиристорів з допомогою керуючих електродів відбувається напругою мережі, тому ці інвертори звуть веденими мережею або залежними (від неї). Дросель Ld згладжує різницю між напругою Ud та е.р.с. самоіндукції інвертора. Тиристори VS1 і VS2 працюють по черзі, якщо VS1 відкритий і пропускає струм в половині первинної обмотки, то VS2 – закритий. Через півперіод VS2 відкривається, пропускаючи струм у другу половину обмотки в протилежному напрямі, то VS1 – закривається. У вторинній обмотці таким чином індукується змінна напруга.