Выравниватель напряжения – 17 стабилизаторов напряжения для дома и дачи

инверторный стабилизатор для дома 220в своими руками, частота 50 гц

Для стабилизации силы тока в электросети используется электронное устройство с тиристорными или симисторными ключами. Современные пользователи отдают предпочтение устройству двойного преобразования инверторного типа. Высокоэффективный электронный инвертор подает электроток стабильного напряжения и определенной частоты с допустимым отклонением на 0,5% от заданных параметров.

 

Конструкция стабилизатора инверторного

Бытовой стабилизатор своими руками собрать несложно, для этого достаточно иметь входные фильтры, выпрямитель и корректор коэффициента входной мощности, конденсаторы, преобразователи и микроконтроллеры. Содержащиеся в конструкции выпрямители и преобразователи построены по схеме биполярного транзистора IGBT с металлическим оксидным полупроводником. Тиристоры в составе выравнивателя напряжения накапливают электрическую энергию, при активации устройства потери тока достигают минимальных показателей.

Инверторный стабилизатор содержит набор компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию. В конструкцию прибора входит:

1. Блок питания с конденсаторами C 2 и C 5, компаратором DA 1, тепловым электрическим диодом VD 1, трансформатором T 1.
2. Узел для задержки нагрузки при включении. В его комплектации содержатся резисторы R1-R5, транзисторы VT1-VT3 и конденсатор С1.
3. Выпрямитель для измерения амплитуды колебания силы тока. В конструкцию устройства входит конденсатор С2, диод VD2, стабилитрон VD2 и делитель R14, R13.
4. Компаратор с резисторами R15-R39 и компараторами DA3 и DA2.
5. Логический контроллер DD1.
6. Усилитель с транзистором VT4 и токоограничивающим резистором R40.
7. Светодиод индикаторный HL1-HL9.
8. Оптронные ключи.
9. Автоматический предохранитель QF1.
10. Трансформатор T 2.

Характеристики стабилизатора тока

Бытовой выпрямитель электротока, своими руками который можно собрать в частной мастерской, выравнивает ток при условии подачи тока 130−270 V. Аппарат не реагирует на частоту колебания электричества, поступающего из центральной линии электропередачи. К приспособлению можно подключать электроприборы общей мощностью до 6 кВт.

Электронный выравниватель напряжения в автоматическом режиме переключает нагрузки в течение 10 мсек. Принцип работы устройства заключается в осуществлении двух процессов:

1. Преобразование переменного сетевого тока в потребительский постоянный.
2. Преобразование потребительского постоянного тока в сетевой переменный.

При выполнении первого процесса инверторные стабилизаторы напряжения для дома осуществляют выпрямление и коррекцию коэффициента напряжения. Процессы выравнивания осуществляются в момент входа переменного тока в частотный фильтр стабилизатора. На выходе потребитель получает постоянный ток синусоидальной формы. Положительным фактором выпрямителя является создание тока с высокими коэффициентами мощности и накопление его в конденсаторах.

Инверторный стабилизатор напряжения для дома в конечном результате выдают электрический ток напряжением 220 В с частотой колебания 50 гц. Отличительным свойством инвертора является наличие в конструкции кварцевого генератора, обеспечивающего высокую точность преобразования исходного материала с помощью микроконтроллера. Благодаря двум взаимозаменяемым процессам выравнивания электротока инвертор, или стабилизатор двойного преобразования, имеет более высокие показатели по сравнению с приборами релейного, электромеханического и симисторного типа.

Свойства электронного стабилизатора

Автоматический стабилизатор напряжения с двойным преобразованием обладает высоким потенциалом, эффективность процесса выравнивания тока заключается в отсутствии реле и других подвижных компонентов. Важным элементом конструкции является конденсатор, в задачу которого входит нивелирование перепадов силы входящего тока. Двойной преобразователь не позволяет изменяться выходному электропитанию от перепада в электрической сети.

В процессе сборки стабилизатора напряжения своими руками следует учесть рабочий процесс бытового устройства при входном возбуждении 130 V. Логическая величина фиксируется компенсаторами прибора, открытый транзистор VT 4 включает сигнальный светодиод, свидетельствующий о том, что стабилизатор не выполняет свою задачу из-за отсутствия нагрузки.

Когда сила тока колеблется в пределах 130−150 В, характеристики инверторного стабилизатора напряжения штиль падает, система открывает транзистор VT 5, включает второй сигнальный светодиод, оптосимистор U1.2 и симистор VS2. Рабочая нагрузка передается на обмотку верхнего вывода трансформатора T 2.

Собранный в домашних условиях инверторный стабилизатор штиль способен передавать напряжение 220 В и переключать соединение с обмоткой второго трансформатора при скачке напряжения в сети от 190 до 250 В. Основным элементом инверторного стабилизатора штиль является печатная плата 115×90 мм из стеклотекстолита с односторонним покрытием фольгой.

Достоинства бытового выпрямителя

По конструкции и принципу действия стабилизатор с двойным преобразованием имеет ряд положительных свойств. Бытовой инвертор обладает следующими качествами, влияющими на производительность прибора:

1. Расширенный показатель входного напряжения в пределах 115−300.
2. Стабилизация выходного напряжения до 220 V в случае резкого скачка ток.
3. Низкий порог шума при работе прибора.
4. Компактные габариты корпуса и небольшая масса.
5. Фильтрация высокочастотных помех и выбросов.
6. КПД > 90%.
7. Низкая точность нормализации входного напряжения.
8. Оперативное регулирование силы электротока.
9. Неприхотливость к обслуживанию и условию эксплуатации.

Недостатки стабилизирующего устройства

Наряду с достоинствами, электронный инверторный стабилизатор напряжения штиль обладает существенными недостатками. Среди комплекса отрицательных свойств наиболее важными считается:

1. Высокая стоимость.
2. Снижение диапазона входного напряжения.
3. Чувствительность к перепадам напряжения в сети.

Условия работы прибора

В процессе преобразования тока необходимо защитить прибор от влаги, пыли, перегрева и механических повреждений. Устройство нельзя включать в работу, если в корпусе возникло образование конденсата от перепада температуры окружающей среды, для защиты стабилизатора от короткого замыкания необходимо дождаться полного испарения влаги с внутренних элементов оборудования.

Сделанный выпрямитель тока, изготовленный своими руками в частной мастерской, может эксплуатироваться только в сухих помещениях, где отсутствуют грызуны, насекомые, взрывоопасные и горючие материалы. Для стабилизации частоты колебания тока прибор должен устанавливаться на открытом пространстве, на расстоянии не менее 50 мм от стены, использоваться нулевой или фазный кабель.

obrabotkametalla.info

инверторный стабилизатор для дома 220в своими руками, частота 50 гц

Для стабилизации силы тока в электросети используется электронное устройство с тиристорными или симисторными ключами. Современные пользователи отдают предпочтение устройству двойного преобразования инверторного типа. Высокоэффективный электронный инвертор подает электроток стабильного напряжения и определенной частоты с допустимым отклонением на 0,5% от заданных параметров.

Конструкция стабилизатора инверторного

Бытовой стабилизатор своими руками собрать несложно, для этого достаточно иметь входные фильтры, выпрямитель и корректор коэффициента входной мощности, конденсаторы, преобразователи и микроконтроллеры. Содержащиеся в конструкции выпрямители и преобразователи построены по схеме биполярного транзистора IGBT с металлическим оксидным полупроводником. Тиристоры в составе выравнивателя напряжения накапливают электрическую энергию, при активации устройства потери тока достигают минимальных показателей.

Инверторный стабилизатор содержит набор компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию. В конструкцию прибора входит:

1. Блок питания с конденсаторами C 2 и C 5, компаратором DA 1, тепловым электрическим диодом VD 1, трансформатором T 1.
2. Узел для задержки нагрузки при включении. В его комплектации содержатся резисторы R1-R5, транзисторы VT1-VT3 и конденсатор С1.
3. Выпрямитель для измерения амплитуды колебания силы тока. В конструкцию устройства входит конденсатор С2, диод VD2, стабилитрон VD2 и делитель R14, R13.
4. Компаратор с резисторами R15-R39 и компараторами DA3 и DA2.
5. Логический контроллер DD1.
6. Усилитель с транзистором VT4 и токоограничивающим резистором R40.
7. Светодиод индикаторный HL1-HL9.
8. Оптронные ключи.
9. Автоматический предохранитель QF1.
10. Трансформатор T 2.

Характеристики стабилизатора тока

Бытовой выпрямитель электротока, своими руками который можно собрать в частной мастерской, выравнивает ток при условии подачи тока 130−270 V. Аппарат не реагирует на частоту колебания электричества, поступающего из центральной линии электропередачи. К приспособлению можно подключать электроприборы общей мощностью до 6 кВт.

Электронный выравниватель напряжения в автоматическом режиме переключает нагрузки в течение 10 мсек. Принцип работы устройства заключается в осуществлении двух процессов:

1. Преобразование переменного сетевого тока в потребительский постоянный.
2. Преобразование потребительского постоянного тока в сетевой переменный.

При выполнении первого процесса инверторные стабилизаторы напряжения для дома осуществляют выпрямление и коррекцию коэффициента напряжения. Процессы выравнивания осуществляются в момент входа переменного тока в частотный фильтр стабилизатора. На выходе потребитель получает постоянный ток синусоидальной формы. Положительным фактором выпрямителя является создание тока с высокими коэффициентами мощности и накопление его в конденсаторах.

Инверторный стабилизатор напряжения для дома в конечном результате выдают электрический ток напряжением 220 В с частотой колебания 50 гц. Отличительным свойством инвертора является наличие в конструкции кварцевого генератора, обеспечивающего высокую точность преобразования исходного материала с помощью микроконтроллера. Благодаря двум взаимозаменяемым процессам выравнивания электротока инвертор, или стабилизатор двойного преобразования, имеет более высокие показатели по сравнению с приборами релейного, электромеханического и симисторного типа.

Свойства электронного стабилизатора

Автоматический стабилизатор напряжения с двойным преобразованием обладает высоким потенциалом, эффективность процесса выравнивания тока заключается в отсутствии реле и других подвижных компонентов. Важным элементом конструкции является конденсатор, в задачу которого входит нивелирование перепадов силы входящего тока. Двойной преобразователь не позволяет изменяться выходному электропитанию от перепада в электрической сети.

В процессе сборки стабилизатора напряжения своими руками следует учесть рабочий процесс бытового устройства при входном возбуждении 130 V. Логическая величина фиксируется компенсаторами прибора, открытый транзистор VT 4 включает сигнальный светодиод, свидетельствующий о том, что стабилизатор не выполняет свою задачу из-за отсутствия нагрузки.

Когда сила тока колеблется в пределах 130−150 В, характеристики инверторного стабилизатора напряжения штиль падает, система открывает транзистор VT 5, включает второй сигнальный светодиод, оптосимистор U1.2 и симистор VS2. Рабочая нагрузка передается на обмотку верхнего вывода трансформатора T 2.

Собранный в домашних условиях инверторный стабилизатор штиль способен передавать напряжение 220 В и переключать соединение с обмоткой второго трансформатора при скачке напряжения в сети от 190 до 250 В. Основным элементом инверторного стабилизатора штиль является печатная плата 115×90 мм из стеклотекстолита с односторонним покрытием фольгой.

Достоинства бытового выпрямителя

По конструкции и принципу действия стабилизатор с двойным преобразованием имеет ряд положительных свойств. Бытовой инвертор обладает следующими качествами, влияющими на производительность прибора:

1. Расширенный показатель входного напряжения в пределах 115−300.
2. Стабилизация выходного напряжения до 220 V в случае резкого скачка ток.
3. Низкий порог шума при работе прибора.
4. Компактные габариты корпуса и небольшая масса.
5. Фильтрация высокочастотных помех и выбросов.
6. КПД > 90%.
7. Низкая точность нормализации входного напряжения.
8. Оперативное регулирование силы электротока.
9. Неприхотливость к обслуживанию и условию эксплуатации.

Недостатки стабилизирующего устройства

Наряду с достоинствами, электронный инверторный стабилизатор напряжения штиль обладает существенными недостатками. Среди комплекса отрицательных свойств наиболее важными считается:

1. Высокая стоимость.
2. Снижение диапазона входного напряжения.
3. Чувствительность к перепадам напряжения в сети.

Условия работы прибора

В процессе преобразования тока необходимо защитить прибор от влаги, пыли, перегрева и механических повреждений. Устройство нельзя включать в работу, если в корпусе возникло образование конденсата от перепада температуры окружающей среды, для защиты стабилизатора от короткого замыкания необходимо дождаться полного испарения влаги с внутренних элементов оборудования.

Сделанный выпрямитель тока, изготовленный своими руками в частной мастерской, может эксплуатироваться только в сухих помещениях, где отсутствуют грызуны, насекомые, взрывоопасные и горючие материалы. Для стабилизации частоты колебания тока прибор должен устанавливаться на открытом пространстве, на расстоянии не менее 50 мм от стены, использоваться нулевой или фазный кабель.

chebo.pro

Маломощные однофазные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z_н=R_н.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R_н.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U_d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление R_н, то и ток в нем i_{d ,} будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

 Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным  было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент  полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из  диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку U_d и среднее значение тока в нем I_d.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и  . Поскольку U_d считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения U_d   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;  

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U_(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив   получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  I_в = I_d/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

elenergi.ru

Выпрямитель напряжения: история и разновидности

Выпрямитель напряжения – это не совсем правильное сочетание слов, относящееся к схемам на различных выпрямителях тока. К последним относятся, прежде всего, диоды. Ранее использовались кенотроны различной конструкции.

Из истории вопроса

Выпрямить удаётся исключительно ток, впрочем, если применить слово к напряжению, профессионалу термин останется понятым. Электроны способны двигаться по проводу в обоих направлениях, в зависимости от разницы потенциалов. Происходящее называется переменным током, током переменного направления. Чтобы электроны постоянно двигались прямо и не сворачивали, требуется выпрямитель.

Следовательно, определение уточняется. Выпрямителем (напряжения) тока называется прибор, заставляющий электроны в цепи двигаться лишь в единственном направлении. Присутствует разница между профессиональной средой и любителями:

1. Ученикам в школе рассказывают, что прямым называется постоянный ток. На уровне класса физики не происходит деления. Возможно, чтобы не путать учащихся.
2. Профессионалы импульсы одной полярности уже называют выпрямленным напряжением (током). В этом свете простой диодный вентиль без сглаживающего фильтра считается выпрямителем в полном смысле слова.

Таким образом, словосочетание, указанное выше, допустимо трактовать по-разному. Если требуется постоянный ток, как в аккумуляторе, но из розетки, искомый прибор полагается называть:

• Адаптер постоянного тока.
• Блок питания постоянного тока.
• Преобразователь постоянного тока.

Но не выпрямитель. Под последним понимается просто срезание отрицательной части тока и напряжения. Обработке подвергаются оба параметра, вытекая из закона Ома для участка цепи. Переозвучим: если на концах цепи без разрывов присутствует напряжение, потечёт ток. Единственное исключение из правила даёт конденсатор. В традиционном физическом классе не рассматривается при упоминании законов Ома. Зато в высшей школе преподают, что ёмкостное сопротивление изменяет сдвиг фаз между напряжением и током.

Обобщая: выпрямитель выпрямляет сразу два параметра, ток и напряжение. В первом случае присутствует однонаправленное движение электронов, во втором – градиент разницы потенциалов постоянен. Выпрямляющие свойства в противовес общественному мнению первоначально открыты в полупроводниках. Электронные лампы изобрели намного позднее в результате изысканий Томаса Эдисона и прочих (см. Лампа накаливания).

Открытие по полупроводникам сделано в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном вскоре после перебазирования к новому месту назначения научного руководителя Георга Квинке. Университет не нашёл подходящей должности, открыватель эффекта выпрямления начинает преподавать в средней школе. Обширный досуг предоставляет Брауну достаточно времени для научной деятельности, в свет выходит первая работа по искусственным и натуральным окислам меди, платины, нейзильбера, пирита, халькопирита, галенита.

Исследование тетраэдра из блеклой породы показало анизотропность найденных свойств. Подводя к каждой из 8 граней серебряную проволоку, учёный измерял ток при помощи мультипликатора (гальванометр). Напряжение вольтова столба постоянно перепроверялось, памятуя печальный опыт Георга Ома. Требование возникло, когда учёный обнаружил нелинейность проводимости контакта металл-кристалл. Сегодня эту половинку параболы видим на любой вольт-амперной характеристике диода. Собственно, так и обнаружились выпрямляющие свойства минералов. Остаётся лишь сожалеть, что перевод работы на русский язык отсутствует, а английский доступен лишь за солидную сумму денег, но упорные читатели пусть покоряют немецкий!

Ламповые выпрямители

Согласно статистике на момент середины 70-х годов из всей производимой в СССР энергии примерно четверть требовалось преобразовать в постоянный ток. Для действия потребовались дешёвые и качественные приборы, нежели предложенные потребителям сталинскими заводами.

Уже выедены были многочисленные технические решения, но большая часть электрических схем реализовывалась на лампах: диодах, триодах и пр. На рисунке представлены застойные варианты выпрямителей, взятые из книги Мазеля К.Б. издания 1951 года. Безусловным достоинством схем признана понятность читателю. Описание однополупериодного лампового выпрямителя:

1. Переменный ток подаётся на трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна предназначена целиком для подогрева катода (на рисунке – справа, дуга).
2. Стрелка с направлением тока не вводит в заблуждение: электроны движутся внутри вакуума в противоположном направлении.
3. Цепь катода включена в заземлённый контур, чтобы замкнуть путь для выходного тока. Электроны, разогревающие активный слой, сюда не ответвляются в силу очевидных причин.
4. На выходе стоит полосовой фильтр из индуктивности и ёмкостей, служащий для отсеивания ненужных гармоник.

Двухполупериодный действует аналогичным образом, вместо диодной лампы используется двуханодный кенотрон. В результате появляется возможность повышения КПД. Выходной ток снимается через среднюю точку, где всегда течёт в направлении, указанном на рисунке. Схема представляет аналог диодного моста.

Первый вариант схемы используется для удешевления конструкции и уменьшения габаритов. Одновременно сильнее расходуется запас батарейки. Причина — выпрямляется лишь единственный полупериод колебания входного напряжения питания. На выходе фильтра, как правило, сохраняется остаточная частота пульсаций, совпадающая с сетевой. Уже в сталинские времена схемы иногда оборудовали селеновыми или купроксными полупроводниковыми диодами. Напомним, на основе оксида меди в 1874 году Карл Фердинанд Браун открыл выпрямляющие свойства неметаллических элементов (см. Полупроводниковый диод).

Двухполупериодная схема прежде считалась распространенной для питания маломощных радиоприёмников. Частота пульсаций выходит удвоенной, зато амплитуда меньше, нежели в однополупериодной схеме при эквивалентных фильтрах гармоник. Большой минус: число витков рабочей обмотки приходится увеличивать, чтобы достичь схожего коэффициента передачи каскада. Следовательно, схема более высоковольтная.

Выпрямитель на лампах с удвоением напряжения

Схема с умножением напряжения (вдвое) собирается на двух кенотронах (ламповых диодах). Это станет платой за увеличенный вольтаж. Как легко увидеть из рисунка, кенотроны включены навстречу, за счёт чего первый пропускает ток в положительном направлении, а второй – в отрицательном. Несомненный плюс схемы: трансформатор приобретает меньшие размеры, а вторичная обмотка находится под меньшим напряжением. Цепи подогрева раздельные для обеих ламп, иного не дано: катод кенотрона закорачивался бы на анод.

Пунктиром здесь показана схема снятия напряжения без его удвоения, допустимо использовать с потерей КПД системы. Недостаточность фильтрации в современной электронике легко повысить, применяя схемы, обычные для импортной техники, одна представлена на рисунке. Это типичное техническое решение для стиральных машин, требующее присутствия в доме системы заземления TN-S. Рабочий и защитный нулевые проводники не должны соприкасаться в любой точке. Это обеспечивает качественную фильтрацию помех по фазе и нейтрали одновременно, что в конечном итоге продлит жизнь электроники в доме.

Частота пульсация в схеме с удвоением удвоенная, используются оба полупериода. Кенотроны возможно заменить на полупроводниковые диоды без потери работоспособности схемы. Рекомендуется обеспечить раздельное питание катодов кенотрона, дополнительная особенность: при непосредственном заземлении одного конца вторичной обмотки нейтраль выходного напряжения соединять с грунтом уже нельзя. Лучше такое заземление выполнять через конденсатор ёмкостью 500 — 1000 мкФ.

Простые диоды возможно заменить на двуханодные кенотроны с катодами, электрически изолированными от единой нити накала. Это делается, когда есть общий (на прибор) питающий трансформатор. Тогда нить накала питается из общей сети (питания накала) и отделяется от остальной части бареттером (вакуумным ограничителем тока). В остальном схема мало отличается от представленной выше.

Полупроводниковые схемы выпрямителей

Полупроводниковый выпрямитель с учетверением напряжения порадует любителей домашних экспериментов. При помощи такой штуковины удастся сильно намагнитить металлический стержень, как Араго в 1820 году (о чем известно из его собственной заметки, опубликованной в томе XV журнала Annales de chimie et de physique). За четыре года до изобретения Вильяма Стерджена! Араго наблюдал действие проволоки с электрическим током на металлические опилки, но не придал наблюдению оттенка практичности или коммерциализации.

Схема простая, но демонстрирует недостаток – нужно где-то набрать четыре высоковольтных конденсатора. Напряжение каждого указано на изображении, и этим допустимо руководствоваться при отборе. Конденсаторы не должны быть электролитическими, знак на контактах поменяется. Плюс и минус указаны только для иллюстрации образования выходного напряжения.

На положительном полупериоде заряжается нижняя пара ёмкостей, а на отрицательной – верхняя. Конденсаторы в каждой паре включены параллельно (см. параллельное включение конденсаторов) и последовательно (см. последовательное включение конденсаторов) одновременно. Смотря по какому полупериоду пришло время. Номиналы лучше брать одинаковыми.

Кенотроны и твердотельные выпрямители

Выше намеренно не приводятся все известные схемы на твердотельной электронике, часть увидите в теме диодный мост. Найдутсятам и трёхфазные технические решения, в том числе принадлежащие Ларионову. Важнее рассмотреть критерии выбора кенотронов. Тематика древняя, литературу найти сложно среди интернетского завала, появляется смысл остановиться подробнее на старой элементной базе.

В аудиозаписи и на концертах ламповые усилители популярны и поныне. Стоят немалых денег. Купить сумеет не каждый, а вот собрать собственноручно… Артисты утверждают, что звук получается насыщенный объёмный. Авторам приходилось даже слышать, что, мол, от вибраций колонок в лампах электроны летят по-особенному. Оттого и звучание столь своеобразное.

• Важным параметром считается максимально допустимое обратное напряжение. Как в случае с твердотельной техникой, способно повредить: образуется лавинный пробой за счёт эмиссии электронов с анода. Сопровождающийся значительной температурой, сожжёт лампу.
• Внутренним сопротивлением называется величина, обратная проводимости лампы в открытом состоянии. Определяется из вольт-амперной характеристики прибора (см. рис.). Как для обычного диода потребуется разницу потенциалов поделить на ток. Значения берутся по выбранной рабочей точке, либо по максимуму входного напряжения.
• Максимальные ток в импульсе и напряжение способны превышать средние выпрямленные значения. Потребуется убедиться, что лампа не сгорит в имеющихся условиях.

vashtehnik.ru

Контрольные вопросы

1. Классификация средств электропитания электронных устройств? Обобщённая структурная схема ИВЭП, основные их характеристики?

2. Типовые структурные схемы ИВЭП, их сравнительный анализ?

Лекция 17. Выпрямители и стабилизаторы напряжения постоянного тока

Виды выпрямителей и их характеристики. Выпрямителем называется устройство для преобразования пере­менного напряжения в постоянное [1,2,3,5,9,10,12,13,14]. Основное назначение выпрями­теля заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обоб-щенная структурная схема выпрямителя приведена на рис.17.1. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабили­затор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие фун­к­ции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество

Рис.17.1. Обобщенная структурная схема выпрямителя

фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выпол­няет высокочастотный инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В каче­стве вентилей могут использоваться электровакуумные, газораз­рядные или полупроводниковые приборы, обладающие односто­ронней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, тран­зисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные эле­менты отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропус­кают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение на­пряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на сни­жении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпря­мителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего уст­ройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), вы­полненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с примене­нием активных элементов — транзисторов, операционных усилите­лей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряже­ния можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъяв­ляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вен­тильный блок.

Кроме основных узлов в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения на­пряжения питающей сети 110-220 В.

Классификация выпрямителей. Для классификации выпря­мителей используют различные признаки: количество выпрямлен­ных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополу­периодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз пи­тающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трех­фазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз пи­тающего напряжения понимают число питающих напряжений с от­личными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой выпрямитель будет однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдви­нутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуются три питающих напряже­ния, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120°, то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрями­тели состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме вентильного блока различают выпрямители с парал­лельным, последовательным и мостовым включением однофазных выпрямителей. Схемы таких выпрямителей приведены на рис.17.2.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема кото­рого приведена на рис.17.2,a, является простейшим.

Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полу­волну питающего напряжения, как показано на рис.17.3а. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рис.17.2,б, представляет собой параллельное соединение двух одно-

фазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмоткии. С помощью этих полуобмоток создаются два противофаз-

Рис.17.2. Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: одно­полупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мосто­вой (в) и однофазный с последовательным включением (схема удвоения) (г)

ных питающих выпрямитель напряжения. Форма вы­ходного напряжения такого выпрямителя приведена на рис.17.3,б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Рис.17.3. Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питае­мых от однофазной сети, при резистивной нагрузке без фильтра: однополу­период­ного (а) и двухполупериодного (б)

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.17.2,в) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для вы­пря­м­ле­ния напряжения сети и без трансформатора. К его недостат­кам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформа-тор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет под­магничивания магнитопровода постоянным током, и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полуперио­дов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В).

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рис.17.2,г) представляет собой последовательное соединение двух однофаз­ных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VD₁ заряжается конденсатор , а во втором полупериоде проводит диодVD₂ и кон­денсатор заряжается напряжением противоположной полярно­сти. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторыимогут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы, изображенной на рис.17.2,в, если заменить диодыVD₃ и VD₄ конденсаторами и. В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К досто­инствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного на­пряжения трансформатора, а к недостаткам наличие двух конденса­торови.

Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение в ИВЭП, приведены на рис.17.4. Пер­вичные обмотки трансформаторов Тр могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включены по схеме звезды. На рис.17.4,а приведена схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки 0′ вторичных обмоток. На рис.17.5,а при­ведены временные диаграммы напряжений и токов для этой схемы при резистив­ной нагрузке без фильтра. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет , в то время как для двухполу­пе­­риодного однофазного выпрямителя он составляет 67%, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты питаю­щей сети.

Рис.17.4. Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а)

и мостового трехфазного выпрямителя (б)

Все это значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения, а в ряде случаев позволяет вообще обойтись без фильтра.

К недостаткам схемы относится плохое использо­вание трансформатора, работающий с подмагничиванием по­стоянным током, и повышенное обратное напряжение на выпрями­тельных диодах.

Мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларио­нова) приведена на рис.17.4,б. В этой схеме включены 6 диодов, которые выпрямляют как положительные, так и отрицательные по­луволны трехфазного напряжения. При этом в любой произволь­ный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее по-

ложительное напряжение, а на катоде — наибольшее отрицательное. Графики токов и напряжений для трехфазной мос­товой схемы приведены на рис.17.5,б. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие под­магничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций (равный 5,7%) и вдвое увеличенная частота пульсаций . Все это позволяет во многих случаях не использовать вы­ходной фильтр.

Рис.17.5. Формы напряжений и токов в трехфазном выпрямителе с нуле-

вой точкой (а) и в трехфазном мостовом выпрямителе (б)

Для сравнения рассмотренных схем выпрямителей в табл.17.1 при­ведены их основные параметры при работе на резистивную на­г­рузку без фильтра. В этой таблице приняты следующие обозначения основных характеристик:- коэффициент транс-

фор­­­мации, -действующее значение напряжения на первич­ной обмотке,— действующее значение напряжения на вто­ричной обмотке,w₁ и w₂ — число витков первичной и вторич­ной обмоток соответственно, — расчетное значе­ние напряжения на нагрузке,— чис­ло последовательно включен­ных диодов,— среднее

Таблица 17.1

Основные характеристики схем выпрямителей

Характеристика	Тип выпрямителя
	Однофазный со средней точкой	Однофазный мостовой	Трехфазный с нулевой точкой	Трехфазный мостовой
Действующее напряжение вторичной обмотки (фазное), U2	2×1,11Uн	1,11Uн	0,855Uн	0,43Uн
Действующий ток вторичной обмотки, I2	0,785 Iн	1,11 Iн	0,58 Iн	0,82 Iн
Действующий ток первичной обмотки, I1	1,11 Iн/n	1,11 Iн/n	0,48 Iн/n	0,82 Iн/n
Расчетная мощность трансформатора, Ртр	1,48 Pн	1,23Pн	1,35Pн	1,045Pн
Обратное напряжение на диоде, Uобр	3,14Uн	1,57 Uн	2,1 Uн	1,05 Uн
Среднее значение тока диода, Iд.ср	0,5 Iн	0,5 Iн	0,33 Iн	0,33 Iн
Действующее значение тока диода, Iд	0,785 Iн	0,785 Iн	0,587 Iн	0,58 Iн
Амплитудное значение тока диода, Iдm	1,57 Iн	1,57 Iн	1,21 Iн	1,05 Iн
Частота основной гармоники пульсации	2ƒс	2ƒс	3ƒс	6ƒс
Коэффициент пульсаций выходного напряжения, Kп	0,67	0,67	0,25	0,057

значение вып­рямленного напря­жения; — прямое падение напряжения на диоде,— частота питающей сети,- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения,— амплитуда напряжения с часто­той пульсаций на выходе выпрямителя.

Стабилизаторы напряжения, тока. Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

.      (17.1)

Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения

. (17.2) Внутреннее сопротивление стабилизатора

.     (17.3)

Коэффициент сглаживания пульсаций

_,  (17.4)

где U_вх~, U_вых~ — амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно.

Для стабилизаторов тока важны следующие параметры:

— коэффициент стабилизации тока по входному напряжению

;  (17.5)

— коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки   ;   (17.6) — коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активным мощностям _{. (17.7)}

Широкое применение нашли стаби­лизаторы напряжения постоянного тока непрерывного действия двух видов: параметрические и ком­пенсационные.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Они применя­ются при малых выходных токах, изменяющихся в узких пределах. Работа этих стабилизаторов основана на использовании свойств элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой. В качест­ве такого элемента наиболее часто используются стабилитроны — полупроводниковые приборы, действие которых основано на стаби­лиза­ции напряжения в результате пробоя р–n перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис.17.6,а. Стаби­лизация напряжения осуществляется при работе стабилитрона на обратной ветви ВАХ, когда обратное напряжение определенного значения приводит к пробою р–n перехода. При изменении тока через стабилитрон в широком диапазоне от мини­мального значения I_{ст min} до максимального I_{ст max} изменение падения напряжения на нём оказывается небольшим (рис.17.6,а), что и даёт возможность применять последний для стабилизации напряжения постоянного тока. В процессе пробоя рассеиваемая в стабилитроне мощность не должна превы­шать допу­стимую , (17.8)

где Т_{пер max} – максимально допустимая температура р–n перехода; Т_о.с температура окружающей среды; R_т – тепловое сопротивление стабилитрона.

Для ограничения тока пробоя обычно последовательно стабилитрону вклю­чают дополнительный резистор R₀(рис.17.6,б), формируя схему параметрического стабилизатора.

Рис.17.6. Вольтамперная характеристика стабилитрона (а) и схема

параметрического стабилизатора (б)

Максимально до­пустимый ток пробоя определяется из вы­ражения

. (17.9)

Здесь U_ст – напряжение стабилизации, равное напряжению пробоя р–n перехода.

Величина напряжения стабилизации U_ст у различных типов стабилитронов находится в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт при то­ках стабилизации от долей миллиампера до единиц ампер.

Одной из основных характеристик стабилитрона является его температур­ный коэффициент напряжения (ТКН), который показывает смещение ВАХ стабилитрона при изменении температуры. При прямом токе абсолютный ТКН определяется выражением:

. (17.10)

Относительный ТКН,%/град, равен:

. (17.11)

При обратном токе абсолютный ТКН равен:

. (17.12)

Относительный ТКН,%/град, определяется как:

. (17.13)

Другой важной характеристикой стабилитрона является диф­ференциальное сопротивление, Ом, которое можно определить из выражения: . (17.14)

Для различных типов стабилитронов характер изменения диф­ференциального сопротивления от тока различен.

Для компенсации влияния температуры окружающей среды на ха­рактеристики стабилитрона используются термочувствительные компо­ненты схем с отрицательным ТКН или дополнительные ста­би­литроны, включенные в проводящем направлении последова­тельно со стабилизирующими стаби­ли­тронами. На рис. 17.7,а при­ведена схе­ма стабилиза­тора с термокомпенсацией при по­мощи тер­мочув­стви­тельного резистора R_т, ТКН которого противопо­ло­жен по знаку ТКН стабилитрона, а на рис.17.7,б представлена схема с одним стабилизирующим стабилитроном, включённым в обратном направлении, и

Рис.17.7. Схемы пара­мет­рической ста­били­за­ции с термокомпен­са­ци­ей: а — с термочувствительным ре­зис­то­ром; б – с одним стабилизи­рую­щим стабилитро­ном и тремя компен­си­ —

рующими

тремя ком­пенсирующими стаби­литронами (N=3). Напря­же­ние на выходе такой схемы:

,(17.15)

где: , .

При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьша­ется в несколько раз. Его можно увеличить за счет повышения входного напряжения и сопротивления ограничительного резисто­ра, что, однако, приводит к снижению КПД стабилизатора. Повы­шение коэффициента стабилизации без снижения КПД достигает­ся использованием стабилизатора тока вместо ограничительного резистора (рис. 17.8,а). Благодаря уменьшению отклонений тока через стабилитрон стабилизация выходного напряжения повыша­ется в 5-8 раз при изменении входного напряжения.

Рис.17.8. Схемы пара­метри­чес­ких стабили­заторов нап­ряжений со стабилизацией вход­ного тока (а) и с

эмит­терным повторителем (б)

Если необходимо увели­чить мощ­ность параметрического стабилизатора, то используют схему с эмиттерным по­вторителем (рис. 17.8,б). Коэффициент стабилизации в этой схеме не увеличива­ется и определяется из выражения:

, (17.16) где: ; r_Б, r_К, r_Э – сопротивление базы, коллектора и эмиттера соответственно; R_см – резистор смещения; h_21Э – коэффициент передачи тока транзистора.

Выходное напряжение определяется напряжением стабили­трона.

Рассмотрим пример расчета параметрического стабилизатора, выполненного по схеме, приведенной на рис.17,6,б.

Исходные данные:

— выходное напряжение U_вых=U_н=5,1В;

— ток нагрузки I_н=10 мА;

— нестабильность входного напряжения (U_вх.max—U_вх.min1)/U_вх..ном= ±20%;

— сопротивление нагрузки R_н=U_вых/I_н=5,1/10·10^-3=510 Ом, что соответствует номиналу стандартного ряда Е24 значений сопротивлений с величиной допуска на номинал в5%.

Решение:

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа 1N4733Ав моделирующей программной оболочке Multisim 10 [13,14] (табл. 17.2) с выходным напряжением 5,1В.

Таблица 17.2

studfiles.net

Выпрямитель напряжения: виды, как это работает?

В современном многообразии электрических приборов как бытового назначения, так и для иных задач большинство содержит выпрямитель. Это связано с их непрерывным усложнением в связи с увеличением функциональности. А для многофункциональности необходима электроника, потребляющая постоянный ток. Его обеспечивает источник питания. В нем всегда расположен выпрямитель. Далее расскажем об этом устройстве более подробно.

Какими были первые выпрямители

Развитие электроснабжения начиналось с нуля. А это значит, что не было ни знаний, ни, тем более, оборудования для этого. Потребовалось почти столетие, чтобы появились современные полупроводниковые выпрямители. Они являются следствием исторически сложившейся инфраструктуры электроснабжения. А она, как известно, развивалась на основе переменного напряжения.

Электроснабжение на постоянном напряжении эффективнее, поскольку не сказываются потери в ЛЭП из-за индуктивности и емкости проводов. Но почти везде электроэнергия в сети соответствует переменному напряжению. Это происходит потому, что электроснабжение невозможно без изменения величины напряжения. А эту задачу до сих пор наиболее эффективно решает только трансформатор. Различие свойств электрических цепей с переменным и постоянным напряжением было сразу же замечено исследователями.

А поскольку эффективным источником электроэнергии является вторичная обмотка трансформатора, надо было так или иначе получить некое подобие постоянного напряжения на ее основе. На первом этапе развития электротехники появились только электромагнитные машины. Их и приспособили для выпрямления напряжения. Также было известно явление электролиза. Его тоже использовали для изготовления выпрямителей — электролитических.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени.

Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя. При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя.

Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения. Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует. Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время.

МВ-81 со снятой крышкой Контакт МВ-81

Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Электролитический выпрямитель

Это устройство работает без коммутации. Однако оно было изобретено только после появления достаточно чистого алюминия. Известно, что этот металл образует тонкую пленку прочного окисла на своей поверхности. Окись алюминия — это почти изолятор. Если погрузить алюминиевую пластину в определенный раствор и подать на нее отрицательный потенциал, пленка разрушится. При этом ток в растворе должен исходить из погруженной рядом железной пластины — анода.

Пленка окиси алюминия моментально растворится в растворе, например, фосфорнокислого натрия. Поэтому поверхность катода получится из чистого алюминия. А ток будет беспрепятственно течь между погруженными электродами. Но как только полярность электродов сменится на противоположную, поверхность алюминиевой пластины моментально окислится. Пленка с большим сопротивлением не будет пропускать электрический ток.

Энергетические характеристики электролитического выпрямителя зависят от объема сосуда, а также от размеров и числа пластин. Пластина из чистого алюминия работоспособна длительное время. Вывести из строя такой выпрямитель можно только механическим разрушением. От увеличения тока он «застрахован» свойствами электролита. Слишком высокое напряжение просто не будет выпрямляться. Но при его возвращении к номинальной величине этот выпрямитель продолжит работу. Он просто не убиваем.  

Электролитический выпрямитель

Ламповые варианты

Такие механические и электролитические выпрямляющие устройства просуществовали несколько десятилетий до того времени, как появились электронные лампы. Но и они были ограничены потерями электроэнергии. Хотя и не связанными с коммутацией. Дело в том, что для работы лампы необходим предварительно созданный запас электронов.

А его не научились получать в лампах иначе, как раскаляя нить накала. Вот и получалось, что, несмотря на быстродействие, обычная лампа-диод расходовала слишком много электроэнергии на выпрямление напряжения. Но со временем была изобретена мощная ртутная лампа — ртутный выпрямитель. Она отличалась тем, что в ней возникал управляемый электрический разряд в парах ртути. Разряд существовал только на одной полуволне напряжения.

Ртутный выпрямитель

Это позволило довести мощность выпрямителя до значений, приемлемых для промышленного использования. И на основе ртутных выпрямителей были построены первые ЛЭП, работающие при постоянном напряжении. А во всех остальных электроприборах так и применялись электронные лампы-диоды. В 30-е годы ХХ века появились первые полупроводниковые выпрямители на основе селена. Они так и назывались — «селеновые выпрямители».

Структура селеновой выпрямительной пластины Конструктивное исполнение селеновых выпрямителей

Однако характеристики этих выпрямителей оставляли желать лучшего. Поэтому поиски более эффективных технических решений продолжались и завершились появлением полупроводникового диода. Но его преимущества тоже относительны. Температура полупроводника не может превышать 130–150 градусов Цельсия. По этой причине все предшествующие виды выпрямителей имеют свою нишу для условий с высокой температурой и радиацией. При остальных условиях эксплуатации применяются диодные выпрямители.

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Влияние переменной составляющей оценивается коэффициентом пульсации.

Его можно уменьшить двумя способами:

• улучшая эффективность электрического фильтра;
• улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

• по схеме моста;

Схема выпрямительного моста

• по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока. Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Полупроводниковые диоды вместе с конденсаторами позволяют создавать схемы, в которых конденсаторы за полпериода заряжаются и за полпериода разряжаются в нагрузку. При этом напряжения, которые на них накапливаются, суммируются. Таким путем можно создавать схемы для умножения напряжения. Наиболее простая и эффективная схема выпрямителя, который удвоит напряжение, содержит два диода и два конденсатора. Ее называют схемой Латура-Делона. Ее аналогом является схема Гренашера.

Создавая необходимое число ячеек, содержащих конденсаторы и диоды, можно получить любое напряжение, кратное их числу. Схема, соответствующая этому решению, показана далее. В ней каждая из ячеек содержит конденсатор и диод.

 

Она также именуется как «генератор Кокрофта-Уолтона». Для двух- и трехфазных напряжений существуют соответствующие выпрямители. Это такие же схемы, как и для однофазного напряжения, но соединяемые в соответствии с достигаемой целью. Примеры таких схем показаны далее.

   

 

Многофазные источники переменного напряжения — это наиболее эффективный способ получения минимальной величины коэффициента пульсации. Классификация как многофазных, так и прочих выпрямителей в целом довольно-таки обширна. Они характеризуются:  

В статье были подробно рассмотрены лишь некоторые виды выпрямителей, имеющие наиболее широкое использование.

Делая выбор того или иного устройства, необходимо руководствоваться параметрами напряжения нагрузки. Только таким путем получается эффективное выпрямление напряжения.

Похожие статьи:

domelectrik.ru

определяем преимущества, особенности и приводим в пример хорошие модели

Автор: Александр Старченко

Инверторные стабилизаторы напряжения постепенно выходят на первое место по популярности. Они очень надёжны, компактны, обеспечивают идеальные характеристики выходного напряжения и не имеют механических деталей. Благодаря исключительно высоким параметрам, инверторный стабилизатор напряжения прекрасно подходит для питания любой бытовой и офисной техники. Он так же применяется  в качестве источника питания на производстве, домашнего и дачного стабилизатора.

Содержание:

1. Технические особенности инверторного стабилизатора
2. Основные преимущества и недостатки
3. Выбор инверторного стабилизатора
4. Бытовой стабилизатор

Технические особенности инверторного стабилизатора

Инверторный стабилизатор напряжения выполнен без применения силовых трансформаторов и электромагнитных реле, которые используются в источниках питания другого типа.

В инверторном стабилизаторе выполняются два процесса:

• Преобразование переменного тока в постоянный;
• Обратное преобразование.

Отсутствие электромеханических узлов повышает надёжность стабилизатора и обеспечивает отличные выходные характеристики. Подобный стабилизатор не требует технического обслуживания и корректно работает в широком диапазоне напряжения на входе.

Схема устройства состоит из следующих электронных блоков:

• Входной L/C фильтр;
• Диодный выпрямитель;
• Корректор коэффициента мощности;
• Блок конденсаторов;
• Инвертор-преобразователь;
• Микропроцессор.

Напряжение сети поступает на пассивный сетевой фильтр, выполненный на конденсаторах и катушках индуктивности. Он сглаживает пиковые выбросы сетевого напряжения и практически полностью убирает высокочастотные помехи. Затем напряжение попадает на выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный, где приобретает вид чистой синусоиды. Далее включается корректор коэффициента мощности, который равномернее отбирает мощность от сети и снижает значение потребляемого тока.

Часть напряжения поступает на блок конденсаторов. Конденсаторы  накапливают энергию, которая аккумулируется в них при больших величинах входного напряжения и отдают её в линию, когда возникает её недостаток.

В конечном итоге энергия поступает к инвертору, который делает всю оставшуюся работу – преобразует постоянное напряжение обратно в переменное, и делает его синусоидальным. При этом на выходе мы получаем стабильную частоту в 50 Гц, и рабочее напряжение 220 Вольт.

Именно из-за двух ступеней преобразования и наличию инверторов данные стабилизаторы и получили название «инверторные» или «стабилизаторы двойного преобразования».

Особенности стабилизатора напряжения с двойным преобразованием:

• Инвертор осуществляет преобразование постоянного напряжения в переменное. Он собран на MOSFET или IGBT полупроводниковых приборах, смонтированных на радиаторах;
• Управление работой инвертора может осуществляться с помощью ШИМ-контроллера;
• Инверторные стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием имеют защиту нагрузки и самого стабилизатора от больших выбросов напряжения сети;
• Управление функциями элементов инверторного стабилизатора выполняет микроконтроллер;
• Кварцевый тактовый генератор обеспечивает высокое качество напряжения на выходе устройства.

Технические решения, применяемые в инверторных стабилизаторах, позволяют получить на выходе номинальное напряжение, необходимое для питания различных потребителей, с отклонением не более 1%. Инверторный стабилизатор напряжения является единственным устройством подобного типа, которое жёстко контролирует частоту.

Основные преимущества и недостатки

При сравнении технических характеристик инверторных стабилизаторов напряжения с характеристиками стабилизаторов других типов, хорошо заметно преимущество электронных устройств.

К достоинствам стабилизаторов двойного преобразования можно отнести следующее:

• Работа в большом диапазоне сетевых напряжений;
• Синусоидальная форма напряжения;
• Высокая скорость стабилизации;
• Точность выходных параметров;
• Полное подавление импульсных помех;
• Компактность устройства.

Электронная схема стабилизатора напряжения позволяет ему корректно работать при достаточно большом разбросе величины входного напряжения. Инверторные стабилизаторы напряжения для дома обеспечивают отличные выходные характеристики при колебаниях напряжения на входе в пределах 115-290 вольт. У разных моделей этот показатель может несколько отличаться.

Электронный стабилизатор для дома инверторного типа обеспечивает на выходе практически идеальную синусоиду, в то время как устройства другого типа могут выдавать аппроксимированную (ступенчатую) синусоиду или меандр, что категорически неприемлемо для работы многих устройств.

Поскольку в схеме устройства отсутствуют электромеханические узлы, автоматика инверторного стабилизатора обеспечивает практически мгновенную реакцию на изменения входного напряжения. Это время не превышает нескольких микросекунд и определяется только переходными процессорами в транзисторах.

Применение микроконтроллера с кварцевым генератором позволяет добиться исключительно высоких параметров напряжения и частоты на выходе стабилизатора. Отклонение напряжения от номинальной величины в 220В обычно не превышает 1%, а частоты не более 0,5%.

Индуктивно-ёмкостные фильтры практически полностью подавляют весь спектр импульсных помех, а так же устраняют кратковременные пиковые выбросы напряжения. Благодаря отсутствию мощного силового трансформатора удалось снизить до минимума вес и габариты устройства. От перегрузок стабилизатор защищает входной автоматический выключатель и быстродействующая электронная защита, иногда оснащённая звуковой сигнализацией.

Основными недостатками инверторных стабилизаторов можно считать высокую цену. Кроме того, электронные компоненты нагреваются в процессе работы и требуют воздушного охлаждения. Для этой цели применяются компактные вентиляторы, которые издают небольшой шум, но это трудно назвать существенным недостатком.

Выбор инверторного стабилизатора

При выборе электронного стабилизатора напряжения с двойным преобразованием следует обращать внимание на его основные характеристики:

• Допустимая мощность нагрузки;
• Скорость выравнивания;
• Форма напряжения на выходе;
• Точность параметров;
• Допустимые колебания напряжения сети;
• Условия эксплуатации.

Мощность. Мощность стабилизатора можно считать основным параметром при выборе данного прибора. Для определения необходимой мощности нужно подсчитать мощность всех бытовых устройств, которые будут питаться от этого стабилизатора, и прибавить 20-30% резерва.

Для квартиры вполне подойдёт стабилизатор, мощностью 3-5 кВт. Инверторный стабилизатор напряжения на 10 кВт подойдёт для частного загородного дома, особенно если в нём имеется отопительная система с циркуляционным насосом и собственная артезианская скважина, оборудованная погружным насосом.

Скорость выравнивания – это время, которое требуется стабилизатору, чтобы отреагировать на изменение напряжения на входе. Инверторные стабилизаторы обладают самой высокой скоростью выравнивания среди всех моделей стабилизаторов, поэтому на нее можно не обращать внимания. Стабилизаторы двойного преобразования (инверторные) выдают неискажённую синусоиду. Такая форма напряжения идеально подходит для электропитания любых бытовых устройств и газовых котлов.

Напряжение на входе и выходе. При оценке выходных параметров следует знать, что у инверторных стабилизаторов напряжения самые лучшие параметры как по отклонению напряжения от номинала на выходе, так и по частоте. Диапазон напряжения на входе, в зависимости от модели, может меняться в небольших пределах. Разброс входного напряжения, при котором способен работать стабилизатор, обычно находится в пределах от 115-120 до 280-290В, но некоторые модели способны покрыть больший разброс напряжения.

Степень защиты. В документации на стабилизатор обычно указывается  интервал температур, при которых может эксплуатироваться устройство, а так же относительный уровень влажности, поэтому на это также стоит обращать внимание, особенно если планируется использовать стабилизатор в неотапливаемом помещении или в неблагоприятных для техники условиях.

Прочие параметры. Инверторный стабилизатор напряжения имеет небольшие габариты, а благодаря отсутствию мощного трансформатора и малый вес, поэтому большинство моделей имеет настенное крепление. Приборы имеют индикацию режимов работы и информационный дисплей.

Бытовой стабилизатор

Группа компаний «Штиль», которая уже более 25 лет считается одним из лидеров в производстве систем электропитания, предлагает линейку бытовых стабилизаторов двойного преобразования. Инверторный стабилизатор напряжения «Штиль» отлично подойдёт для квартиры или небольшого дома. Ряд стабилизаторов включает в себя модели с мощностью 500, 1000, 1500 и 3500 В/А. Выходное напряжение имеет синусоидальную форму, а точность установки составляет 220 ± 2%. Стабилизаторы уверенно работают при колебаниях сетевого напряжения от 90 до 300 вольт, и имеют защиту от перегрузки. Все модели, кроме стабилизатора 500В/А оборудованы жидкокристаллическим дисплеем, на который выводятся все нужные параметры.

С этим читают:

Понравилась статья? Поделись с друзьями в соц сетях!

nabludaykin.ru