Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы. Выпрямители с тиристорным регулятором напряжения

Двухполупериодный выпрямитель (рис. 85, а) образуют трансформатор Т1, понижающий напряжение сети до 12... 13 В, диоды VI — V4, включенные по мостовой схеме, и конденсатор С1, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения. Трансформатор первичной обмоткой I присоединяют к электроосветительной сети через плавкий предохранитель F1 на ток 0,5 А. Нагрузку или стабилизатор напряжения подключают к разъему X1, являющемуся выходом выпрямителя. Сила тока, потребляемого нагрузкой, может достигать 0,4...0,5 А при значительных пульсациях выпрямленного напряжения.

Параметрический стабилизатор (рис. 85, б) состоит из резистора R1 и стабилитрона V5. Его вход подключают к выходу выпрямителя через разъем Х2, а нагрузку к выходу стабилизатора через разъем ХЗ. Выходное напряжение 9 В (зависит от напряжения стабилизации используемого стабилитрона), максимальный ток нагрузки — 15...20 мА.

Компенсационный стабилизатор (рис. 85, в) входным разъемом Х4 подсоединяют к выходу выпрямителя, а стабилизированное напряжение питания нагрузки снимают с выходного разъема Х5. Транзистор V6 — регулирующий элемент стабилизатора. Постоянное напряжение на его базу подается с параметрического стабилизатора R2V5. Балластный резистор R3 поддерживает рабочий режим регулирующего транзистора при отключенной нагрузке. Максимальный ток, потребляемый нагрузкой, может составлять 200 мА. Коэффициент стабилизации выходного напряжения около 30, выходное сопротивление не более 2 Ом.

Возможные конструкции выпрямителя и стабилизаторов напряжения (Разработаны В. Васильевым г. Москва), показаны на рис. 86. Стабилизаторы выполнены в виде сменных приставок к выпрямителю.

Рис. 85. Схемы выпрямителя и стабилизаторов напряжения блока питания транзисторной аппаратуры

Рис. 86. Конструкции выпрямителя и стабилизаторов напряжения

Сетевой трансформатор 77 выпрямителя — ТВК-110ЛМ (его данные приведены в табл. 7 приложения). Фильтрующий конденсатор С1 составлен из двух, соединенных параллельно конденсаторов типа К50-3Б емкостью по 500 мкФ, на номинальное напряжение 25 В (можно использовать конденсатор К50-6 емкостью 1000 мкФ на такое же номинальное напряжение). Трансформатор, диоды выпрямительного моста и фильтрующий конденсатор размещены и смонтированы на панели из листового изоляционного материала (гетинакс, стеклотекстолит), размеры которой определяются габаритами деталей. С помощью металлических уголков панель крепится к боковым стенкам — стойкам. Функцию выходного разъема выпрямителя выполняют два гнезда на передней стенке. Держатель плавкого предохранителя находится на задней стенке, через которую выведен и сетевой шнур с двухполюсной вилкой на конце.

При правильном монтаже деталей выпрямитель налаживать не придется. Надо только измерить напряжение на его выходе при различных нагрузках. При подключении эквивалента нагрузки сопротивлением 30...40 Ом (проволочный резистор) потребляемый ток должен быть в пределах 0,5...0,6 А при напряжении 15... 17 В. Увеличить потребляемый ток до 1,2... 1,4 А можно заменой диодов Д226 выпрямительного моста на более мощные диоды серии Д229.

Параметрический стабилизатор напряжения выполнен в виде переходной колодки, которую входными штепсельными вилками Х2 подключают к выходным гнездам выпрямителя X/, а нагрузку — к ее выходным гнездам ХЗ. Колодка состоит из двух планок, скрепленных между собой с помощью металлических полосок, согнутых наподобие буквы П. Задняя планка, на которой укреплены входные вилки, должна быть из изоляционного материала (гетинакс, текстолит). Передняя планка металлическая, но выходные гнезда должны быть изолированы от нее. Стабилитрон и гасящий резистор выводами припаяны непосредственно к соответствующим гнездам и вилкам.

Чтобы не ошибиться при подключении стабилизатора к выпрямителю, возле вилок и гнезд приставки необходимо пометить полярность напряжения.
Компенсационный стабилизатор напряжения также выполнен в виде переходной колодки, состоящей из передней металлической панели с выходными гнездами Х5 и задней планки с входными вилками Х49 которыми стабилизатор подключают к выходу выпрямителя XL Панель и планка скреплены между собой такими же, как в параметрическом стабилизаторе, металлическими уголками.

Передняя панель — пластина размерами 70 х 50 мм из листового дюралюминия (или алюминия) толщиной 3 мм, она выполняет функцию теплоотводящего радиатора регулирующего транзистора V6. Стабилитрон V5, гасящий и балластный резисторы R2 и R3 смонтированы на контактах входного и выходного разъемов.
Безошибочно смонтированный компенсационный стабилизатор налаживания не требует. Его выходные параметры можно проверить, подключая к нему эквиваленты нагрузок разных сопротивлений.

В любом из описанных здесь стабилизаторов можно использовать маломощный стабилитрон с иным напряжением стабилизации. Соответственно изменится и выходное стабилизированное напряжение. Несколько таких приставок-стабилизаторов с разными выходными напряжениями позволят питать от одного и того же выпрямителя разные по сложности радиотехнические устройства и приборы, конструируемые в кружке.

При изготовлении стабилизаторов по приведенным схемам следует учитывать, что нельзя заранее предугадать, какие точно получатся напряжения на их выходах. Объясняется это разбросом параметров стабилитронов одной и той же серии. Например, напряжение стабилизации стабилитрона Д814Б, наиболее часто используемого радиолюбителями для сетевых блоков питания, может быть 8...9,5 В. Примерно в таких же пределах может быть и выходное напряжение стабилизатора. Чтобы это напряжение было вполне определенного значения, например 9 В, приходится опытным путем подбирать соответствующий стабилитрон. Для питания любительской аппаратуры это необязательно, потому что подобный разброс значений выходного напряжения не имеет практического значения.
При использовании сконструированных стабилизаторов кружковцы должны помнить, что стабилитрон параметрического стабилизатора или регулирующий транзистор компенсационного стабилизатора из-за длительных перегрузок или коротких замыканий в цепях питающейся нагрузки могут перегреться и выйти из строя.

Поэтому перед подключением к сетевым блокам питания любого радиотехнического устройства надо убедиться, что замыканий в нем нет, а сразу же после подключения измерить потребляемый ток — он не должен быть больше допустимого.
Можно усложнить стабилизатор, включив в него защитное устройство от перегрузок. Подобный стабилизатор, схема которого приведена на рис. 87, с двумя фиксированными выходными напряжениями: при включении стабилитрона Д810 (V2) напряжение на входе стабилизатора будет 9 В, при включении стабилитрона Д814Д (V3) — 12 В. Резистор R1 и подсоединенный к нему (переключателем S2) стабилитрон образуют параметрический стабилизатор, создающий на базе управляющего транзистора V4 (относительно минусового проводника) положительное напряжение, соответствующее напряжению стабилизации включенного стабилитрона. Коллекторной нагрузкой этого транзистор; служит эмнттерный переход регулирующего транзистора V5. Нагрузка, подключенная к выходу стабилизатора, оказывается включенной в коллекторную цепь регулирующего транзистора. Диодь V6 и V7 — элементы защиты от перегрузок.

Рис. 87. Схема стабилизатора напряжения с двумя фиксированными выходными напряжениями и защитой от перегрузок

Пока ток нагрузки не превышает 250...300 мА, диод V7 открыт и образует с резистором R3 делитель напряжения, обусловливающего момент срабатывания защиты. Диод V6 в это время закрыт и не влияет на работу стабилизатора.
При коротком замыкании или чрезмерно большом потребляемом токе анодный вывод диода V7 оказывается соединенным с минусовым проводником через малое сопротивление нагрузки и диод закрывается. Диод же V6, наоборот, в это время открывается и шунтирует включенный стабилитрон. При этом оба транзистора закрываются и ток во внешней цепи падает до 20...30 мА.

Регулирующий транзистор V5 (П213, П214, П217) должен быть с теплоотводящим радиатором. Транзистор КТ315 можно заменить кремниевыми п-р-п транзисторами КТ301, КТ312, МП111 — МП111З с коэффициентом передачи тока 40...50, а диод Д223 —диодами Д20, Д206, Д226 с любыми буквенными индексами.

Налаживают этот стабилизатор так. К зажимам XI и Х2 подключают вольтметр постоянного тока и последовательно соединенные проволочный переменный резистор (он имитирует нагрузку) сопротивлением 400...500 Ом и миллиамперметр на ток 500 мА. Движок резистора устанавливают в положение наибольшего введенного сопротивления и подключают вход стабилизатора к выходу выпрямителя. Вольтметр должен показывать напряжение, соответствующее включенному стабилитрону, а миллиамперметр — ток, не превышающий 30 мА.
С уменьшением сопротивления переменного резистора ток через нагрузку должен увеличиваться, а напряжение на нем оставаться практически неизменным. При замыкании выводов переменного резистора должно резко уменьшиться выходное напряжение!— почти до нуля — и ток через нагрузку — до 20...30 мА.

После наладки стабилизатора надо подобрать резистор R3 такого сопротивления, чтобы система защиты срабатывала при токе нагрузки 250...300 мА.

Виды выпрямителей и их характеристики. Выпрямителем называется устройство для преобразования пере­менного напряжения в постоянное . 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 обмотки и . С помощью этих полуобмоток создаются два противофаз-

Одна из основных проблем при разработке сетевого выпрямителя - ограничение амплитуды тока зарядки сглаживающего конденсатора в момент включения в сеть. В маломощных выпрямителях для этого на входе устанавливают токоограничивающий резистор или термистор. В более мощных устройствах для повышения КПД ограничивающий резистор шунтируют контактом реле или тринистором, когда напряжение на сглаживающем конденсаторе достигает значения, при котором амплитуда импульсов тока дальнейшей зарядки уже не превысит допустимой.

Схема предлагаемого устройства показана на рис. 1 . Управляемый выпрямительный мост собран на двух тринисторах VS1, VS2 и двух диодах VD2, VD4. Конденсатор С5 - сглаживающий. Резистор R16 - датчик тока нагрузки. Диоды VD1 и VD3 вместе с диодами VD2 и VD4 образуют неуправляемый выпрямительный мост, используемый для питания узла управления тринисторами, в который входят остальные элементы. Открывающее напряжение на управляющие электроды тринисторов поступает поочередно через диоды VD1, VD5 или VD3, VD6, в зависимости от полярности полуволны напряжения сети, когда аналог тринистора, собранный на транзисторах VT2 и VT3 открывается напряжением, поступающим на базу транзистора VT3 через резистор R9 при закрытом транзисторе VT1.

Конденсатор С1 заряжается на вершинах полуволн до напряжения UC1:
Uc1 = Um - Uvd8.
где Um - амплитуда напряжения сети; Uvd8 - напряжение стабилизации стабилитрона VD8 (около 7,5 В).
В паузах между импульсами тока зарядки напряжение на конденсаторе С1 уменьшается на величину dUc1 в результате разрядки через резистор R2. Конденсатор СЗ заряжается до напряжения Uvd8, когда мгновенное выпрямленное напряжение сети U превышает Um - (Uvd8 - Uc1). Разряжается конденсатор СЗ через диод VD10 при открывании аналога тринистора VT2VT3.

Пренебрегая падением напряжения на открытых р-n переходах, можно сказать, что на резисторный делитель R4-R6 поступает разность напряжений U-Uc5. При уменьшении этой разности до установленного значения dU транзистор VT1 закрывается, разрешая включение аналога тринистора VT2VT3 и тринисторов VS1 и VS2. Регулировка значения dU осуществляется изменением положения движка подстроечного резистора R5.
Сопротивление резистора R2 влияет на положение момента начала зарядки конденсатора СЗ относительно начала полупериода напряжения сети и совместно с напряжением Uvd8 определяет максимально возможный угол открывания тринисторов, а также максимальный уровень пульсаций выходного напряжения.

Конденсатор С2 устраняет возможность преждевременного открывания тринисторов после момента включения в сеть до тех пор, пока на конденсаторе С1 не установится необходимое напряжение. Резистор R3 разряжает конденсатор С2 после выключения устройства. От его номинала зависит минимальный интервал времени (около 5 с) до повторного включения.

Каскад на транзисторе VT4 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и тока, уменьшая при необходимости значение dU, определяемое положением движка резистора R5. Выходное напряжение регулируют перемещением движка подстроечного резистора R14 в интервале от нуля до максимума Um - Uvd8 - dUc1 - dU (около 250 В).

Когда напряжение на датчике тока нагрузки - резисторе R16 - превышает 0,6 В, транзистор VT4 открывается, в результате чего выходное напряжение снижается, что обеспечивает ограничение и стабилизацию тока нагрузки. Если эта функция не нужна, резистор R16 заменяют перемычкой.

Большинство элементов смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Элементы выпрямительного моста (VS1, VS2, VD2, VD4) выбирают с обратным напряжением не ниже 300 В и не менее чем с двукратным запасом максимального прямого тока по отношению к максимальному току нагрузки. У большинства мощных диодов корпус соединен с катодом, а у тринисторов - с анодом, поэтому диод VD2 и тринистор VS1 удобно смонтировать на одном теплоотводе (аналогично VD4 и VS2).

Конденсаторы С1 и С6 - К73 -17, СЗ и С4 - любые керамические или пленочные. Оксидный конденсатор С2 - К50 -29 или аналогичный импортный. Сглаживающий конденсатор С5 - К50 -17, его емкость выбирают, как для обычного мостового выпрямителя, так, чтобы пульсации выходного напряжения не превышали допустимого для используемой нагрузки значения.

Стабилитроны VD8 и VD13 - микромощные, с напряжением стабилизации 7...10 В при минимальном токе 0,1 мА. Пригодны стабилитроны КС175Ц, КС182Ц, КС191Ц, 2С175Ц, 2С182Ц, 2С191Ц. В крайнем случае, их можно заменить транзисторами серии КТ315 с любым буквенным индексом (базу включают как анод, эмиттер - как катод, коллектор оставляют свободным).

Сначала на плату монтируют все элементы, кроме резистора R8 и конденсатора С5. К выходу подключают нагрузку, например, лампу накаливания мощностью 100...200 Вт. Включают устройство в сеть через разделительный трансформатор и осциллографом проверяют наличие на нагрузке остроконечных импульсов напряжения со спадом, совпадающим с окончанием полуволны напряжения сети. Проверяют, что амплитуда импульсов поддается регулировке перемещением движка подстроечного резистора R5. Устанавливают этот движок в нижнее по схеме положение и подключают конденсатор С5, соединенный последовательно с дополнительным резистором сопротивлением 10...20 Ом, мощностью не менее 10 Вт. Напряжение на конденсаторе С5 должно плавно возрастать за несколько секунд примерно до 290 В с характерным скачком в конце. Если это так, конденсатор С5 подключают, непосредственно удалив дополнительный резистор, и устанавливают резистор R8. Подбирают сопротивление резистора R16 для требуемого уровня ограничения выходного тока.

Поскольку порог срабатывания защиты и максимальную амплитуду пульсаций выходного напряжения определяют оба напряжения dU и dUc1 то при уменьшении сопротивления резистора R2 увеличиваются порог и "резкость" срабатывания защиты. Экспериментально подбирая сопротивление резистора, можно изменить отношение этих напряжений и добиться требуемой нагрузочной характеристики устройства.

Радио №2, 2007г.

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

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

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

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

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

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

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

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

Рис. 1.

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

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

Рис. 2.

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

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

Рис. 3.

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

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

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

Рис. 4.

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

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

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

Рис. 5.

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

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

Рис. 6.

Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором

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

Рис. 7.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 8.

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

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

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

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

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

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

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

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

Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на выходе схемы.

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

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

Рис. 9.

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

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

Рис. 10.

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

Рис. 11.

Я применил именно LC -фильтр по следующим соображениям:

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

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

В фильтре использован серийный дроссель Д255В.

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

Рис. 12.

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

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

Рис. 13.

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

Рис. 14.

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

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

Рис. 15.

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

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

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

Рис. 16.

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

Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором

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

Рис. 17.

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

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

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

Рис. 18.

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

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

Рис. 19.

Рис. 20.

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

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

Рис. 21.

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

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

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

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

Рис. 24. Вид модуля SCR 1 M 0 сбоку

Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении

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

Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении

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

Таблица 3. Осциллограммы при максимальном напряжении

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

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

Рис. 25. Схема SCR 1 M 0 с доработками

Министерство образования и науки Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МИТ

Дисциплина «Основы электроники»

Отчет по

Лабораторной работе №3

«Исследование выпрямителей и стабилизаторов»

Выполнили: ст. гр. ОИБ-234

Васильев Д.

Коротенкова К.

Осипов Е.

Принял: Шапаренко Ю.М.

Санкт-Петербург

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

Теоретические сведения:

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

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

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

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

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

Исследование выпрямителей и стабилизаторов.

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

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя без сглаживающего фильтра:

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

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

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