ристоры, рабочий ток которых может достигать значений деся ков и даже сотен ампер.

Промышленность выпускает два вида тиристоров: с двум электродами, подключаемыми к источнику питания,- динистопь и с тремя, два из которых подключаются к источнику питания третий является управляющим,-тринисторы.

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис 7.12, б (кривая L). Ее особенностью является наличие участка отрицательного сопротивления А'В, в пределах которого рабочая точка занимает неустойчивое положение, что и обусловливает переключательные свойства прибора.

Пусть в схеме рис. 7.12, а сопротивление резистора нагрузки /?п таково, что нагрузочная прямая М (рис. 7.12, б) пересекает вольт-амперную характеристику динистора в трех точках: А, С п D. Предположим также, что динистор выключен, т. е. рабочая точка находится в устойчивом положении А. Повысим напряжение питания Еп до значения подав на вход / скачком отрицательный сигнал {/вх1 = I£п-£пI. При этом нагрузочная прямая сместится вправо параллельно самой себе, а рабочая точка займет положение А'. Сопротивление динистора становится отрицательным, что вызывает лавинообразный процесс нарастания тока, в результате которого рабочая точка скачком переходит в положение С. После снятия входного напряжения рабочая точка займет положение С, соответствующее включенному состоянию динистора. Напряжение на динисторе при его включении упадет до значения [/ост, а ток возрастет до значения /раб.

Значения напряжений включения зависят от типа выпускаемого прибора и обычно лежат в пределах 25-500 В, но могут достигать и 1000 В.

Остаточное напряжение [/ост на включенном приборе обычно составляет 0,5-2 В при рабочем токе /раб=0,5.. .100 А.

Для выключения динистора рабочую точку из положения С необходимо сместить в положение В, соответствующее значениям /выкл, [/выкл. Этого можно достигнуть 33 счст умсньшения напряжения питания путем подачи на вход 2 отрицательного сигнала

[/вх2=£п-£п .

Время выключения динистора на порядок больше времени включения и составляет обычно единицы или десятки микросекунд.

В качестве резистора нагрузки Ra схемы рис. 7.12, а можно включить обмотку электромеханического контактного реле. Бесконтактные реле чаще строятся как триггерные схемы на дву' динисторах (рис. 7.13, а). Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 7.13, б.

После включения напряжения питания динисторы VDi и VUs находятся в закрытом состоянии. При поступлении, например, н вход / отрицательного импульса в момент времени /о открываете

яистор VDi. Напряжение VDi скачком падает от значения j!Vn Д° f/ocTi. Так как напряжение на конденсаторе С скачком змениться не может, то напряжение VDj в момент времени to

ддет на такое же значение, что и VDj. Затем конденсатор за-яжается через резистор R2 и включенный тиристор VDi до уров-0 UcEa С постоянной времсни xf-RiC.

Рис. 7.13

Напряжение [/д2 при этом возрастает с той же постоянной времени до значения £ . После заряда конденсатора и установления напряжения Um-En схема находится в рабочем состоянии, когда один из динисторов включен, а другой - выключен.

При подаче в момент времени t\ отрицательного импульса на вход 2 динистор VD2 открывается, а VDi закрывается, поскольку к нему при отпирании VD2 в момент времени ti прикладывается обратное напряжение Uc{t{)=-En. Напряжения {/д1 и {/д2 скачком уменьшаются до значений -£п4-(f/ocri-b остг) и Uozt2.

Затем конденсатор перезаряжается до значений Uc-Е^ с постоянной времени x =R\C, а напряжение Ui возрастает с той же постоянной до значения Е„. Схема переходит в новое рабочее состояние, когда динистор VDi закрыт, а VD2 открыт. С приходом в момент времени /2 нового импульса на вход / схема снова переключается.

Для обеспечения устойчивости рабочих состояний триггера необходимо, чтобы нагрузочная прямая пересекала вольт-амперную характеристику в трех точках. Для этого выполняют следующие

условия: £п< f/вкд (£п-вкл) ?н>/выкл.

оремена перезаряда конденсатора / з и включения динистора л^оставляют минимальное время переключения схемы, т. е. вкл-н/пз. Следовательно, максимальная частота входных им-

м ыбранный тип динистора должен удовлетворять условиям

°Р ах>£ ; /е.кл</ра<3</доп.

Минимальное значение емкости конденсатора С определяете выражением Спип = <выкл ?= (выкл/pa6)/JБп, так как обратное на. пряжение на динисторе должно сохраняться в течение всего впе мени его выключения.

о-- --t--о

* I---1 - - VB.

Рис. 7.14

Рис. 7.15

Рис. 7.16

Схема бесконтактного реле на динисторах может иметь общий вход, на который подаются импульсы отрицательной полярности (рис. 7.14).

Состояние диодов VDs, VDe в цепи запуска схемы определяются состояниями динисторов. Например, если динистор VDi закрыт, а VD2 открыт, то диод VD5 открыт, а VDe закрыт. Поэтому входной импульс проходит только в цепь динистора VDi, вызывая переключение схемы.

Семейство вольт-амперных характеристик тринистора при различных значениях управляющего тока /у представлено на рис. 7.15. При /у = 0 характеристика тринистора совпадает с характеристикой динистора. При наличии тока в цепи управляющего электрода участки OA и А'В вольт-амперной характеристики тринистора становятся короче, а параметр t/вкл уменьшается. Это позволяет включать тринистор путем подачи импульса тока в цепь управляющего электрода.

Амплитуда управляющего импульса не должна быть больше значения /ус, называемого током спрямления, так как при /у = /ус вольт-амперная характеристика тринистора подобна характеристике обычного полупроводникового диода, в которой отсутствует участок отрицательного сопротивления.

Схема бесконтактного реле триггерного типа на тринисторах приведена на рис. 7.16. Переключение схемы осущесгвляется подачей импульса тока в цеп^ управляющего электрода закрытого тринистора. Принцип работы этой схемы не отличается от принципа работы схемы на динисторах (см. рис. 7.13, а).

РАЗДЕЛ II ВЫПРЯМИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ

ГЛАВА 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ

§ 8.1. Определение и параметры выпрямителя

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

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

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

Недостатком полупровониковых диодов является сильная зависимость их параметров от температуры. Предельная рабочая температура 70°С для германиевых диодов, 120°С для кремниевых.

Если обратное напряжение в схеме выпрямителя f/обр.сх превышает допустимое обратное напряжение f/o6pmax данного типа вентиля, то для обеспечения надежной работы выпрямителя можно использовать последовательное соединение вентилей. В этом Случае при одинаковых обратных сопротивлениях вентилей напряжение t/o6pmax распределяется поровну между отдельными венти- ями. Например, если имеем три последовательно включенных вентиля (рис. 8.1), то обратное напряжение, приложенное к каждому нз них, равно f/обр.сх/З.

При разбросе значений обратных сопротивлений, что харак-ерно для полупроводниковых диодов, обратное напряжение, приложенное к каждому из диодов, различно. Наибольшее обратное зпряжение падает на диоде с наибольшим обратным сопротивле-Рав** ожет превысить f/o6pmax для данного типа диода. Для дц °верного распределения обратного напряжения между после-

ательно включенными диодами каждый из них шунтируют ре-

зистором Rm (рис. 8.1), сопротивление которого на порядок меньше обратного сопротивления данного типа диодов.

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

дтахд.доп^дшах (-1)

Яш I 1

Рнс. 8.1

где f/дтах - падение напряжения на открытом диоде при протекании тока /д.доп, которое составляет для германиевых диодов примерно 0,4...0,6 В, а для кремниевых-1,0...1,2 В.

По значению /д.доп полупроводниковые диоды условно разделяют на маломощные (/д.доп^0,3 А), средней мощности (0,3< </д.доп<10 А) и мощные (/д.доп^Ю А).

Рис. 8.3

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

При^параллельном включении полупроводниковых диодов необходимо учитывать разброс сопротивлений Гпр. Наибольший ток протекает через диод с меньшим прямым сопротивлением. Для равномерного распределения токов в каждую ветвь последовательно с диодом включают небольшое добавочное сопротивление /?доб.

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

котором па выходе выпрямителя обеспечивается заданное постоянное напряжение.

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

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

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

K UjUo. (8.2)

Постоянная составляющая представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т т

Uo=Yua)di (8.3)

и обычно является исходной величиной при расчете выпрямителя.

Постояцная составляющая выпрямленного тока также задается при расчете выпрямителя

/0 = ВДн.

(8.4)

§ 8.2. Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей разделяют на однополупериодные, двух-полупериодные с.о средней точкой трансформатора, мостовые и схемы с умножением напряжения.

Однополупериодная схема выпрямления, работающая на активную нагрузку, представлена на рис. 8.4, а.

На первичную (входную) обмотку трансформатора обычно поступает напряжение Ubxi от сети переменного тока. Значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора вх2=Лтр вх1 определяется заданным значением выпрямленного напряжения, так как при открытом диоде напряжение вхг почти полностью прикладывается к нагрузке /? . При этом предполагается, что прямое сопротивление открытого диода г„р мног1еньше Ra-

Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя приведены на рис. 8.4, б. В течение положительной полуволны напряжения вх2 диод открыт, напряжение на нагрузке равно по величине напряжению вх2 и совпадает с ним по форме. Через нагрузку протекает ток, мгновенное значение которого определяется из следующих формул:

к = н ?н = Ивх2/(/?н + Гпр) KJR = KxxIRh- (8.5)

При отрицательной полуволне напряжения вхг диод закрыт и напряжение на нагрузке близко к нулю, так как Нк-Гоб^ и напряжение вх2 полностью прикладывается к диоду. Максимально допустимое обратное напряжение t/o6pmax выбранного типа диода не должно превыщать максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т. е.

обртах >вх2тах~итах=>2[7з^2тахэф. (8.6)

где (7вх2 max эф - максимальное эффективное значение синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора; {/нтах - максимальное напряжение на нагрузке.

Из рис. 8.4, б видно, что напряжение на нагрузке выпрямителя является пульсирующим.

Если представить напряжение и как сумму гармоник, то можно показать, что амплитуда первой (основной) гармоники и постоянная однополупериодного выпрямителя связаны соотношением

и,= \,5т„ (8.7)

т. е. амплитуда основной гармоники в 1,57 раза превышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

В соответствии с формулой (8.3) постоянная составляющая пульсирующего напряжения Uh It

° = ir I dtiJnUJn. (8.8)

Из выражения (8.7) найдем коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя

/С„=1,57. (8.9)

Однополупериодный выпрямитель обычно используется в тех случаях, когда нагрузкой являются цепи малой мощности, но высокого напряжения, например высоковольтные цепи электроннолучевых трубок. Основными недостатками однополупериодного выпрямителя, ограничивающими его широкое применение, являются высокий уровень пульсаций на выходе и подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Указанных недостатков лишены двухполупериодные схемы выпрямления.

Двухполупериодная схема выпрямления, работающая на активную нагрузку, изображена на рис. 8.5, а и представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Трансформатор двухполупериодного выпрямителя (рис. 8.5, а) должен иметь вывод от середины вторичной обмотки, который обычно заземляется.

(-1 +

Рис. 8 5

Временные диаграммы работы двухполупериодного выпрямителя на активную нагрузку показаны на рис. 8.5, б.

В течение положительного полупериода синусоидального входного напряжения bxi переменный потенциал верхнего вывода вторичной обмотки трансформатора положителен относительно заземленной средней точки и совпадает по фазе с напряжением вхь а потенциал нижнего вывода отрицателен и изменяется в противофазе с вхь Диод VDi оказывается под прямым напряжением и проводит ток ii? bx2 ?h== bx2/2/?h, а диод VD2 -под обратным и тока не пропускает.

Максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, определяется максимальным напряжением между верхним и нижним выводами вторичной обмотки 11x2 mzx и не должно превышать {/обр max выбранного типа диода:

обРтах>вх2 ах = 2ншах, (8.10)

где {/нтах - максимальное значение напряжения на нагрузке.

В отрицательный полупериод входного напряжения exi полярность потенциалов на концах вторичной обмотки меняется на противоположную. Диод VDi закрывается, а диод VD2 открывается

и проводит ток i2U Bx2/Ru = UBx2/2R .

Токи ii и 12 протекают через нагрузку /?н а одном направлении, поэтому временная диаграмма Ua={ii->2)Ra представляет

6-617 161

собой пульсирующее напряжение, достигающее максимального значения Uamx два раза за период.

Постоянная составляющая выходного напряжения двухполу-периодного выпрямителя

2л

к

s\nwt=Lf,.2/n = 2Lfjn. (8.11)

Коэффициент пульсаций двухполупериодного выпрямителя со средней точкой меньше, чем коэффициент пульсаций однополупериодного и составляет 0,67.

К-)

и

1 = !,2<,

Рис. 8 6

В двухполупериодной схеме выпрямления магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими тока вторичных полуобмоток, направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому в двухполупериодной схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей, которое характерно для трансформатора однополу-периодной схемы. Отсутствие подмагничивания сердечника позволяет использовать в двухполупериодной схеме трансформатор меньших размеров, чем трансформатор однополупериодной схемы.

Широко распространена мостовая схема выпрямителя, в которой вторичная обмотка трансформатора подключена к одной из диагоналей моста, собранного из четырех диодов (рис. 8.6, а), к другой подключается нагрузочное сопротивление R .

Временные диаграммы работы мостовой схемы выпрямителя приведены на рис. 8.6, б.

В течение положительного полупериода входного синусоидального напряжения диоды VDi и VD3 открыты, а диоды VDs и VD4

закрыты. Через нагрузку протекает ток /13=---

+ 2г пр /?н

в направлении, показанном на рис. 8.6, а сплошной стрелкой.

В течение отрицательного полупериода диода VD2 и VD4 открыты, а диоды VDi и VD3 закрыты. Через нагрузку протекает

ток/24~- = /i3, направление которого совпадает с направлени-

ем тока iis. Поэтому кривая напряжения на нагрузке H=(ii3-f--\-124)Ян, так же как и в двухполупериодной схеме, представляет собой пульсирующее напряжение, достигающее максимального значения {/ тах два раза за период.

Максимальное напряжение на нагрузке не должно превышать f/o6pmax выбранного типа диода, т. е.

обртах>итах- (8.12)

Сравнивая формулы (8.10) и (8.12), можно сделать вывод, что при заданном напряжении U max максимально допустимое обратное напряжение (7обртах выбранного типа диодов в двухполупериодной схеме должно быть в два раза больше, чем в мостовой схеме.

Остальные соотношения между параметрами мостовой и двухполупериодной схем совпадают. Постоянная составляющая

U=2Ujn; (8.13)

соэффициент пульсаций мостовой схемы при работе на активную 1агрузку

ЛГ =0,67. (8.14)

В мостовой схеме отсутствует подмагничивание сердечника /рансформатора, так как во вторичной обмотке отсутствует постоянная составляющая тока.

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителя, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет следующие преимущества перед схемой со средней точкой: 1) меньшие габариты и вес; 2) вдвое меньшее напряжение между выводами вторичной обмотки трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения; 3) вдвое меньшее напряжение на вентиле.

Недостатком мостовой схемы является большее количество вентилей.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения позволяют получить на выходе схемы умноженное в несколько раз входное напряжение без использования повышающего трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением выходного напряжения (схема Латура) изображен на рис. 8.7, а. Схема работает следующим образом. В начале положительного полупериода входного напряжения Ывх2 диод VDj открыт а VDj закрыт (рис.

6* )3