Лабораторна робота № 2 Випрямляч змінного струму високої напруги

Мета роботи - вивчити особливості однофазних випрямлячів змінного струму високої напруги.

Теоретичні положення

Генерація високої постійної напруги за допомогою випрямляючих схем необхідна тоді, коли треба одержати струми ,більші за 1...10 мА. Проте у таких схемах мають бути вжиті спеціальні заходи для зниження пульсацій постійної напруги.

Існує багато варіантів схем випрямлення, проте досить обмежитись розглядом найважливіших із них. Більшість таких схем принципово є проміжними між двома крайніми варіантами напівперіодного випрямляча і схеми множення.

Напівперіодне випрямлення з фільтрацією напруги. Для перетворення періодично змінюваної напруги на постійну необхідні три складові /рис.2.1/: джерело змінної напруги U(t), випрямляч (діод) D, що працює як перемикач

Рис.2.1. Однонапівперіодний випрямляч без навантаження

напруги, і конденсатор С, що нагромаджує заряд. Кожний з цих трьох елементів схеми принципово може мати точку заземлення, і зміни в часі одержаної напруги залежатимуть від вибору точок знімання показів. Однак при одержанні високої напруги доцільно заземляти одну з точок (a або b) джерела змінної напруги, тому що це джерело звичайно має обмотку трансформатора високої напруги із слабкою ізоляцією кінця відносно заземленого магнітопроводу або первинної обмотки. Якщо заземлена точка b, то потрібна додаткова ізоляція джерела змінної напруги.

Схема без навантаження

Щоб зрозуміти схеми випрямлення, важливо уявити, як змінюються напруги на всіх трьох елементах у часі, при цьому діод вважається ідеальним комутатором.

Якщо заземлена точка a, то це є відома в техніці низьких напруг напівперіодна схема випрямлення. На рис.2.2 зображено зміни у часі потенціалів вузлових точок Ф_а, Ф_b, Ф_с, а також струму крізь діод і_D при ввімкненні схеми на ідеальну синусоїдальну напругу в момент її переходу через нуль.

Через діод струм проходить тільки в період зростання напруги у перший напівперіод [і_D= C(du/dt)].

Заряд, що переносить струм,

(2.1)

не залежить від характеру нарощування напруги u(t); він нагромаджується і залишається в конденсаторі С при зменшенні напруги, тому що діод закритий при Ф_с > Ф_b. На конденсаторі залишається постійна напруга U_M, якщо не змінюється максимальне значення змінної напруги в часі і конденсатор не розряджається. Напруга на діоді u_d(t) = Ф_с - Ф_b пульсує.

Аналогічно розглянемо заземлення точки b. Результат зображено на рис. 2.3, який можна отримати з рис. 2.2, якщо прийняти потенціал Ф_b=0. Ця схема, в якій вихідною напругою є u_d(t) , називається схемою подвоєння Вілларда і є суттєвою частиною каскадних схем. Згладжування пульсуючої напруги неможливе, тому що при паралельному вмиканні діода і конденсатора губляться випрямлювальні властивості схеми.

В обох варіантах схеми напруга, що діє на діод, однакова; на конденсаторі напруга дорівнює U_M, а зворотна напруга діода – 2U_M.

Схема з навантаженням

При навантаженні напівперіодного випрямляча у вихідній напрузі є пульсації, тому що через навантаження R за час періоду синусоїди виток заряду , (2.2)

що забезпечується струмом джерела змінної напруги тільки протягом короткого часу α, тому має виконуватись умова

Рис.2.2. Однонапівперіодний випрямляч із навантаженням фільтром

. (2.3)

Вихідна напруга u_c(t) змінюється за незначних падінь напруги у трансформаторі й на діоді у таких межах:

до . (2.4)

Пульсації δu розраховуються за формулою

, (2.5)

де U_max та U_min - найбільше та найменше миттєві значення напруги u(t), виходячи із значень зарядів, що викликають зміну напруги 2δu на конденсаторі:

, (2.6)

Малі; пульсації можуть забезпечуватись за рахунок великого значення добутку fC.

Каскадна схема без навантаження

На рис.2.3 зображено n - ступінчату схему з вихідною напругою позитивної полярності.

Полярність змінюють перемиканням діодів D. Принцип дії побудований на роботі напівперіодного випрямляча: нижній ступінь n являє собою схему подвоєння (вторинна обмотка трансформатора ТR C_n^*, D_N^*) з вихідною напругою U_M на діоді D_n, що додатково випрямляється за допомогою діода D_n та згладжується конденсатором С_n.

У цій схемі на діоді D_N виникає пульсуюча напруга, яка випрямляється діодом D_N-1^* і згладжується конденсатором C_n-1^*. Схему можна збільшувати за рахунок уведення напівперіодних випрямлячів.

У стаціонарному стані без навантаження всі конденсатори заряджені до напруги 2U_M, за винятком конденсатора С_n^* ступеня, найближчого до трансформатора, що заряджений ,до напруги U_M.

Коли потенціали точок 1^*, 2^*,..., n^* пульсують під дією джерела змінної напруги, потенціали точок 1,2,..., n постійні в часі і забезпечують строго постійну напругу на виході. Ланцюг конденсаторів С₁, С₂,..., C_n одночасно є фільтром.

На діоди діє зворотна напруга 2 U_M.

Навантажений каскадний випрямляч

Якщо розглянути зміну у часі напруги u_g(t) зображеного на рис. 2.4 каскадного випрямляча, навантаженого постійним струмом i, та порівняти це з випадком ненавантаженого випрямляча, то насамперед помітне досить велике падіння напруги Δu, зумовлене незначною мірою тільки прямим падінням напруги на діодах. Пульсації δu також не можна пояснити поведінкою ненавантаженого напівперіодного випрямляча. Очевидно, що тільки процеси обміну зарядами правих і лівих ланцюгів конденсаторів схеми викликають появу Δu і δu, які можна описати у випадку ідеальних елементів, якщо розглянути процес періоду T=1/f. Повільно спадаюча протягом періоду Т складова напруги

Рис 2.3. Схема каскадного випрямляча

u_g(t) викликана безперервним розрядом конденсатора правої частини схеми струмом навантаження і втратами заряду іT. Однак ця складова є лише часткою пульсацій 2δu. Перед моментом t наступає й швидке зниження напруги, зумовлене передаванням частини зарядів від конденсаторів С₁, С₂,..., C_n до конденсаторів С₁*, C₂*,..., C_n* крізь діоди D₁*, D₂*,..., D_n* .Тільки конденсатор С_n* заряджається безпосередньо від джерела змінної напруги.

Вихідна напруга росте до максимального значення тільки протягом короткого відрізку часу перед t⁺ (перед досягненням позитивного максимуму живильної напруги), тому що тільки в цей час потенціали точок лівої половини схеми вищі, ніж правої, і діоди D₁, D₂,..., D_n відкриті.

Кількісні розрахунки u та u спрощуються, якщо ввести заряд Q=i/f, що переноситься за період (на рис. 2.5 він позначений стрілкою), та вивести відповідні формули. Однак при цьому слід брати до уваги те, що, наприклад, транспортований із точки 2 у точку 1 заряд відбирається не тільки від конденсатора С₂, а й від нижніх конденсаторів С₃,..., С_n.

З урахуванням (2.6) пульсації на виході можна визначити за формулою

. (2.7)

Каскадні випрямлячі високої напруги, у навантаженні яких можливі зрізи напруги, для запобігання нерівномірного розподілу напруги повинні мати однакові ємності: C₁ = C₂ = … = C_n .

У цьому разі

. (2.8)

Якщо ємності всіх конденсаторів зробити однаковими, тобто C₁ = C₁^* = C₂ = C₂^* = … = C_n = C_n^*, з урахуванням (2.8) можна визначити

. (2.9)

Конденсатор С_n^* заряджається тільки до напруги U_M , тому його ємність вибирається вдвічі більшою за ємність всіх інших конденсаторів. Внаслідок цього u зменшується в n²i/2fC разів, а вихідна напруга

(2.10)

Якщо схему задано (сталі n, f, С), навантажувальна характеристика u_g = (i) лінійно спадаюча, тобто процеси передавання зарядів призводять до того, що ніби з'являється лінійний внутрішній опір джерела. Однак на нього дуже впливає кількість ступенів n, що обмежує при заданому струмі підвищення напруги за рахунок збільшення кількості ступенів, оскільки характеристика u_g=f(n) має максимум.

Відповідно до максимуму Ug оптимальна кількість ступенів із(2.10)

(2.11)

Формула (2.11) вірна, якщо n  4.

Рис.2.4. Осцилограми напруг триступеневого каскадного випрямляча

Експериментальна установка і методика виконання роботи

Схеми випрямлячів (див.рис.2.1 - 2.3) змонтовані на лабораторному стенді, у правій частині якого є тумблер вмикання мережі, захисний автомат максимального струму і контакти для підключення осцилографа до мережі.

Під кожною схемою розміщено два тумблери для приєднання її до джерела живлення та підключення до виходу схеми резистора навантаження. Неонові лампочки сигналізують про те, що схема знаходиться під напругою.

Завдання

1. Ознайомитись із теоретичними основами функціонування схем випрямлення та множення напруги.

2. По черзі дослідити схеми для випрямлення за допомогою осцилографа і занести до звіту осцилограми напруги вторинної обмотки трансформатора живлення, напруг на діодах, конденсаторах і вихідних клемах.

3. Для кожної схеми визначити частоту пульсацій вихідної напруги, кратності напруг на діодах і конденсаторах. Визначити вплив навантаження на кратність напруг, що досліджуються.

Рис. 2.5. Схема каскадного випрямляча з умовною позначкою стрілками зарядів, що переносяться в окремих елементах

Контрольні запитання

1. Послідовність роботи схем випрямлення, що досліджуються.

2. Недоліки випрямляча з великим значенням вихідного опору.

3. Область використання досліджених схем випрямлення.