|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 2 3 4 5 6 7 ... 32 Обычно в зависимости от мощности диодов и степени неравенства их характеристик /?доб = 0,1-1,5 ом. На добавочном сопротивлении рассеивается заметно большая мощность, ухудшается к. п. д. вентиля и усложняется его конструкция. Поэтому в мощных вентилях при параллельном соединении диодов используются в ы -равнивающие реакторы. Последовательное соединение вентилей применяется в тех случаях, когда выбранные или имеющиеся диоды не обладают достаточной электрической прочностью, чтобы их можно было включить в схему выпрямления с заданным обратным напряжением. При таком соединении вентили должны обладать одинаковыми характеристиками обратного тока. Суммарное допустимое обратное напряжение последовательно соединенных диодов будет и обр. доп обр [/обр (1-17) г где [/обр и [/обр -допустимое обратное напряжение для каждого диода в отдельности. Разумеется, что всегда следует стремиться к включению диодов с одинаковыми допустимыми обратными напряжениями, В этом случае при включении N диодов последовательно получится вентиль с допустимым обратным напряжением NU, При разных характеристиках обратного тока распределение напряжения между диодами оказывается неравномерным и для некоторых из них будет перенапряжение, приводящее к электрическому пробою. Чтобы выравнить падение напряжения на отдельных диодах, применяются делители напряжения, в частности, состоящие из активных шунтирующих сопротивлений как это показано на рис. 1-12, б. Эффект выравнивания падений напряжений на последовательно соединенных диодах достигается лишь в том случае, если ш (1-18) где /?обр - сопротивление диода обратному току приданной рабочей температуре. Очевидно, при расчете сопротивлений делителя напряжения приходится считаться с наиболее высокой рабочей температурой. В этом случае сопротивление Rm оказывается небольшим и вызывает значительные потери энергии, вынуждает усложнять конструкцию выпрямителя. Например, для диода типа Д302 при допустимом обратном напряжении 120 в сопротивление Rm должно быть не больше 120 ком при температуре + 20° С и не больше 12 ком при + 70° С 1ля уменьшения потерь в делителе напряжения применяются различные схемы делителей, отличных от схемы рис. 1-12, б, например схема рис. 1-12, е. ж* Сравнительные характеристики неуправляемых полупроводниковых вентилей Сравнительные характеристики вентилей облегчают выбор наиболее рационального типа вентиля и дают возможность ориентировочно определить область применения вентилей в зависимости от назначения выпрямителя. При этом приходится отвлекаться от некоторых характерных подробностей вентиля и схем выпрямления, ограничиваясь лишь учетом наиболее важных показателей. Как правило, при оценке особенностей вентилей приходится также учитывать комплекс элементов выпрямительного устройства например трансформатор и сглаживающий фильтр; при определении к. п. д. вентилей с заданной мощностью нагрузки необходимо учесть не только величину прямого падения напряжения, но и число последовательно соединенных вентилей и т. д. Таблица 11 Характерные данные вентилей Типы вентилей Пробивное напряжение п - р-перехо- да, б................. Допустимая амплитуда обратного напряжения, в............. Максимально допустимая температура п - р-перехода, ° Q......... Нормальное падение прямого напряжения, а............... Номинальная плотность прямого тока, а/см .............. К. п. д. вентиля, %......... Типовой к. п. д. силового трансформатора выпрямителя, %...... Наибольшая номинальная мощность Одного диода, ква.......... Удельный объем вентиля с охладителями, слф/ва............. Рекомендуемые области применения: при выпрямлении напряжения до при мощности выпрямленного тока до ............
Основные сравнительные данные полупроводниковых вентилей приведены в табл. 1-1. Рассматривая эти характеристики, можно сделать следующие выводы; для массовой радиоаппаратуры наиболее целесообразно применять кремниевые вентили относительно малой мощности; для мощных выпрямителей с высоким выходным напряжением целесообразно применять новые типы кремниевых вентилей с целью обеспечения их большей надежности; вентили из поликристаллических полупроводников могут быть использованы во вспомогательных узлах аппаратуры, где выпрямляются весьма малые токи, где требуется большая стабильность параметров вентилей или высокая рабочая температура титановых вентилей и т. п. Весьма вероятно, что выводы могут меняться в зависимости от требований, которые предъявляются к выпрямителям миниатюрной радиоаппаратуры и специфическим особенностям эксплуатации с точки зрения температуры окружаюией среды. § 1-5. УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЕНТИЛИ В отличие от описанных выше неуправляемых вентилей в настоящее время все больше и больше внедряются управляемые вентили, известные под названием тиристоры, которые часто обозначаются как КУВ - кремниевые управляемые вентили. По своему действию КУВ подобны тиратронам и поэтому их часто называют приборами тиратронного действия. В настоящее время уже известен ряд типов тиристоров. Простейшие из них, управляемые однополярным положительным импульсом, могут работать в двух крайних режимах: либо в проводя-щем состоянии, когда прямое падение напряжения на них мало и управление током через них практически невозможно; либо в запертом состоянии, когда возможно лишь управление началом протекания тока через них. Изменение тока в нагрузке управляемого тиристорного выпрямителя осуществляется регулированием момента отпирания вентиля при помощи вспомогательной цепи с управляющим электродом УЭ и подачи в эту цепь необходимого управляющего импульса напряжения. Тиристоры имеют четырехслойную структуру электронно-дырочных переходов типов п - р -г- п - р или р - п - р - п с различными выводами управляющего электрода УЭ, как схематически показано на рис. ЫЗ, а. В соответствии со структурой переходов тиристоры обозначаются так, как показано на рис. 1-13, б. Конструктивно тиристоры весьма сходны с мощными кремниевыми неуправляемыми диодами. Управляющий электрод УЭ имеет вывод проводом, сечение которого меньше сечения проводов основных электродов. Как и в неуправляемых диодах полупроводник типа п служит катодом вентиля, а крайний слой полупроводника типа р - анодом . Эти электроды образуют цепь основного тока тиристора в управляемом выпрямителе. Управляющий электрод УЭ можно считать аналогом сетки тиратрона; в цепь этого электрода надо вводить импульс тока положительной или отрицательной полярности, в зависимости от типа тиристора. Принцип действия тиристора удобно пояснять с помощью условной (имитационной) схемы рис. 1-13, е. Здесь диод Д^, батарея и реле Pi имитируют запертый тиристор. Ток через него сможет протекать лишь в том случае, если он имеет полярность, совпадаю- щую с пропускным направлением Д1 и напряжение, приложенное к тиристору, больше f/i. Если эти условия соблюдены, то реле Pi сработает, контакты реле замкнут цепь батареи и ток через диод будет зависеть от параметров внешней цепи: приложенного прямого напряжения и сопротивления нагрузки. Ток через схему тиристора будет длиться до тех пор, пока он не станет меньше тока, необходимого для срабатывания реле Pi. Действие цепи управляющего электрода УЭ сводится к тому же, что и включение батареи с напряжением U2 заданной полярности к цепи диода Дз в схеме рис. 1-13, е. Если в этой вспомогательной цепи будет создан через и Pi ток, достаточный для срабатывания реле, то основная цепь тока тиристора замкнется и ток этой цепи будет зависеть от извне приложенного прямого напряжения; падение напряжения на тиристоре или имитирующей его схеме будет а п       р  и Катод Рис. 1-13. Структура электронно-дырочных переходов и имитационные схемы тиристоров. мало. Если после этого отключить батарею Б^, то реле будет продолжать действовать за счет протекания тока основной цепи тиристора, т. е. управляющее действие электрода (цепи) УЭ пропадет; прерывание тока основной цепи окажется возможным лишь при выключении внешнего напряжения. Описанная схема имитации действия тиристора часто заменяется схемой рис. ЫЗ, г, в которой тиристор замещается двумя транзисторами типов р - п - р и п - р - п. В зависимости от того, откуда сделан вывод управляющего электрода, можно получить один из двух тиристоров четырехслойной структуры. В применении к любому типу тиристора схемы рис. 1-13, а можно сделать заключение о том, что при включении внешнего напряжения iy p (плюс на полупроводник р и минус на полупроводник п или соответственно плюс на 3i и минус на Э2 в схеме рис, 1-13,г) крайние п - р-переходы окажутся включенными в проводящем направлении, а средний п - р-переход - в непроводящем направлении. Чтобы его тоже включить в проводящем направлении, необходим управляющий импульс напряжения соответствующей полярности в цепи УЭ. При подаче на тиристор прямого напряжения с полярностью, показанной на рис. 1-13, г, дырочный ток эмиттера Э^, протекая через переход частично рекомбинирует с электронами проводимости fii, а частично проходит через коллекторный переход Яд. Эта часть тока определяется коэффициентом усиления по току а^. Пройдя через переход в область Б2 транзистора п - р - п, дырки образуют там нескомпенсированный положительный объемный заряд и вызовут встречный поток электронов эмиттера через переход Я3 и Яд в базу Б^. Ток, обусловленный движением электронов, достигнув базы п - р транзистора, вызовет вторичный поток дырок из эмит- Р тера 5i. В свою очередь, движение дырок приведет к еще большему движению электронов и возникнут условия лавинообразного на-   Рис. 1-14. Вольт-амперные характеристики тиристоров. растания тока через четырехслойную структуру тиристора, в результате чего при определенном значении прямого напряжения произойдет пробой среднего п - р-перехода и тиристор окажется в проводящем направлении даже при отключенной цепи управляющего электрода. В таком состоянии тиристора до пробоя среднего перехода ток в основной цепи мал и определяется обратным током среднего п - р-перехода, а падение напряжения на тиристоре велико. После пробоя среднего перехода падение напряжения на тиристоре резко уменьшается, а ток через него определяется параметрами внешней цепи. Описанный процесс протекания тока через тиристор находит свое отражение в характеристике, показанной на рис. 1-14, а. Включение цепи управляющего электрода снижает напряжение включения (/вкл- Сигнал управления вызывает увеличение тока управляющего электрода - базы транзистора п - р - п всхемерис. 1-13, г- и облегчается протекание лавинообразного процесса пробоя. Чем больше ток управляющего электрода, тем легче и быстрее происходит пробой. При большом токе управления, так называемом токе включения, характеристика тиристора совпадает с характеристикой неуправляемого диода. При промежуточных значениях тока /у уменьшается пробивное напряжение и в результате тиристор может быть охарактеризован семейством характеристик рис. 1-14, б. В ряде случаев характеристику прямого тока тиристора для разных значений температур удобнее представлять в виде, показанном на рис. 1-15, а. Характер кривых изменения прямого тока от прямого напряжения при различных температурах окружающей среды остается таким же, как для неуправляемых кремниевых вентилей, а форма этих характеристик зависит от их масштаба. 
г) о fa 20 60 120 180 б   50 100 150 200 HQ 20 40 60 в Рис. 1-15. Характеристики тиристоров. При использовании тиристора в управляемом выпрямителе можно регулировать момент отпирания и выражать зависимость среднего значения тока нагрузки как функцию угла запаздывания а, определяющего в частях периода выпрямляемого тока разницу времен между началом подачи положительного прямого напряжения и моментом отпирания тиристора. Типовая характеристика, называемая регулировочной кривой, приведена на рис. 1-15, б. Зависимость тока управляющего электрода /у от приложенного к цепи этого электрода управляющего напряжения принято называть характеристикой управления. Такая характеристика приведена на рис. 1-15, в для двух температур окружающей среды (-60 и 125° С). Заштрихованную область управления принято называть областью пусковых характе- р ист и к. в ряде случаев зависимость управляющего тока от приложенного прямого напряжения тиристора для разных температур окружающей среды удобно представлять в виде семейства характеристик, приведенных на рис. 1-15, а. К типичным параметрам тиристоров помимо указанных относятся и такие, как время переключения и время восстановления запирающего действия тиристора. Обычно время переключения составляет I-5 мксек, а время восстановления 2-20 мксек. При эксплуатации тиристоров в схемах управляемых выпрямителей существенное влияние на режим работы цепи управления имеет форма управляющего импульса. В порядке защиты тиристора от случайного изменения полярности управляющего импульса в цепь управления обычно включаются диоды (§ 4-5). Отечественной промышленностью производятся тиристоры малой и средней мощности типов Д235А-Д235Г и Д238А - Д238Е и др. Например, максимальная мощность рассеяния на коллекторе тиристора Д238 менее 20 em, Допустимая температура корпуса менее +40С, максимально допустимый прямой ток 10 а, максимальный ток управления 0,35 а и максимально допустимая рабочая температура +100° С. Наряду с маломощными тиристорами производятся также мощные тиристоры типов ВКУ и ВКУВ, соответственно с воздушным и водяным охлаждением. Первые из них рассчитаны патоки нагрузки 10 - 100а при допустимых обратных напряжениях 25-300 в, падением прямого напряжения не более 1,4 в, управляющим импульсом 20 в при мощности управления менее 20 вт. Эти тиристоры рассчитаны Для работы при температуре от -40 До +65° С. Тиристоры серии ВКУВ рассчитаны на прямой ток 100 а и рабочих температур от +5 до +30° С, остальные параметры такие же, как у тиристоров серии ВКУ. Каждая серия тиристоров подразделена на 8 классов в зависимости от величины допустимого обратного напряжения, а по величине прямого падения напряжения каждая серия тиристора разделена на группы А, Б, В и Г. Наряду с тиристорами имеются другие виды управляемых вентилей, Как правило, малой мощности, в том числе бинисторы, три-гисторы и фотраны. Бинисторы по своим характеристикам напоминают КУВ и их используют в качестве переключателей тока. Примерно также используются и тригисторы. Фотраны отличаются от других управляемых вентилей тем, что цепь управляющего электрода может срабатывать под воздействием светового импульса. Благодаря этим свойствам фотраны используются в фотоэлектронных управляемых установках различного назначения. Их можно использовать в автоматически действующих выпрямительных устройствах, управляемых световым потоком. Перспективны возможности их использования в установках с автоматическими зарядно-Разрядными устройствами. ГЛАВА ВТОРАЯ НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ § 2-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Выпрямительным устройством (выпрямителем) называют электротехническую систему, предназначенную Для преобразования переменного тока в постоянный. При этом различают неуправляемые и управляемые выпрямители. Выпрямитель называют неуправляемым, если в процессе его работы не регулируется выходное напряжение и оно определяется соотношением Uo = KU (2-1) ч где Uq - напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя; U2 - напряжение переменного тока на входе выпрямителя; к - постоянный коэффициент схемы выпрямления. Если при таком выпрямителе возникает необходимость изменить напряжение на выходе, то приходится менять входное напряжение (/2, используя при этом соответствующие регуляторы. В управляемых выпрямителях (гл. 4) напряжение постоянного тока на нагрузке можно изменять в процессе работы выпрямителя, не регулируя входное напряжение, а воздействуя должным образом на режим работы выпрямителя. Блок-схема выпрямительного устройства малой мощности показана на рис. 2-1, а. Здесь блок / - силовой трансформатор, служащий для получения необходимого напряжения при данном напряжении сети; вентиль 2 предназначен для пропускания тока в одном направлении; сглаживающий фильтр 3 служит для уменьшения пульсации (сглаживания) выпрямленного напряжения (тока) до величины, определяемой нормальным режимом работы питаемого устройства (усилителя, генератора, телевизора и т. п.). Часто блок-схема выпрямительного устройства видоизменяется за счет дополнительных блоков или отсутствия некоторых блоков, указанных на рис. 2-1, а. Например, часто неотъемлемой частью выпрямительного устройства либо в виде самостоятельной конструкции может быть стабилизатор тока или напряжения, включаемый на выходе (со стороны постоянного тока) или на входе (со стороны переменного тока) выпрямителя. В редких случаях предусматривается также возможность регулирования напряжения и тока на нагрузке. Как своеобразное исключение возможны бестрансформаторные выпрямители малой мощности, а в некоторых случаях, когда устройство может питаться пульсирующим током, отсутствует сглаживающий фильтр. При необходимости питания накальных и сигнальных цепей используются отдельные понижающие (накальные) трансформаторы или предусматриваются дополнительные понижающие вторичные обмотки на силовом трансформаторе /. Режим работы каждого блока выпрямительного устройства сильно зависит от режима работы остальных блоков. Например, режим работы силового трансформатора и вентиля во многом определяется сглаживающим фильтром и характером сопротивления нагрузки (питаемого устройства). Такая сильная взаимная связь режимов работы блоков устройства приводит к необходимости рассматривать и анализировать все процессы в отдельных частях схемы совместно, либо для каждого блока при конкретных заданных ре- 
 а т  Рис 2-1. Схема и графики токов и напряжений однофазного одно тактного выпрямителя. жимах работы. В последнем случае оказывается возможным сопоставить параметры, достоинства и недостатки каждого типового блока устройства. Целесообразно рассмотреть два типа выпрямителей; идеализированные и реальные. Типичным режимом работы идеализированного выпрямительного устройства является отсутствие потерь во всех блоках схемы при активном характере нагрузки. К идеализированному выпрямителю можно отнести и такой реальный выпрямитель, у которого потери в отдельных блоках ничтожно малы. Полученные для идеализированного выпрямителя расчетные соотношения могут быть уточнены путем определения потерь в блоках выпрямителя. При такой методике расчета и анализа процессов можно сопоставить преимущества и недостатки различных схем выпрямления. в реальных выпрямителях потери имеются во всех блоках, и расчет схемы усложняется. Если нагрузка имеет комплексный характер, т. е. содержит емкостную или индуктивную составляющую сопротивления нагрузки, расчет значительно усложняется за счет возникающих фазовых сдвигов, между током и напряжением в отдельных частях схемы выпрямителя. При активном характере нагрузки нет фазовых сдвигов и расчетные формулы получаются более простыми, чем в первом случае. . Действие выпрямительного устройства со сглаживающим фильтром сводится к следующему. В результате действия вентиля с односторонней проводимостью ток приобретает импульсный характер, форма и длительность импульсов определяются режимом работы вентиля, а частота их повторения зависит от частоты к числа фаз выпрямляемого тока. При отсутствии сглаживающего фильтра ток в нагрузке активного характера имеет тот же импульсный характер, что и в цепи после вентиля. Такой характер тока для большинства питаемых устройств не пригоден. Задачу преобразования импульсного напряжения в постоянное выполняет сглаживающий фильтр. Поскольку импульсы тока содержат постоянную и цеременные составляющие, то в результате действия сглаживающего фильтра происходит фильтрация переменных составляющих выпрямленного напряжения и на нагрузку воздействует лишь постоянная составляющая напряжения и тока. Подробно физические процессы в сглаживающих фильтрах описываются в гл. 6. Выпрямительные устройства можно классифицировать: по типу вентиля - кенотронные, газотронные или ти-ратронные, полупроводниковые; по схеме выпрямления - ные, однотактные и двухтактные, с умножением напряжения, с промежуточным преобразованием тока по частоте; по реакции нагрузки на выпрямитель - активная, индуктивная и емкостная реакции; по мощности - маломощные {до 100 вт), средней мощности (до 5000 вт), мощные (свыше 5000 вт); по частоте выпрямляемого тока однофазн ые и многофаз - промышленной частоты (50 гц), повышенной (400 и 1000 гц), высокой частоты (свыше 1000 гц); по напряжению - низкого (до 250 в), среднего (до 1000 в) и высокого (свыше 1000 в); по режиму работы нагрузки - пульсная и кратковременная. При определении числа фаз выпрямления т исходят из соотношения длительная, им- m = pq (2-2) где р число фазных обмоток вторичной цепи силового трансфор- 1 2 3 4 5 6 7 ... 32 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||