Prostowniki
advertisement
Prostowniki Materiały pomocnicze do „Podstaw elektrotechniki i elektroniki” opracował: mgr inż. Andrzej Krieger . 1.Wstęp. Zadaniem układów zasilających , nazywanych skrótowo zasilaczami , jest przetwarzanie energii elektrycznej pobieranej ze źródeł pierwotnych ( sieć energetyczna jedno- lub trójfazowa , akumulator , baterie itp. ) na energię odpowiednich prądów , zasilających układy i urządzenia elektryczne. Doprowadzenie tych prądów zasilających warunkuje działanie układów , a ich postać i wartości powinny być optymalne dla zadanych warunków eksploatacyjnych .Trzeba podkreślić , że wszystkie zakłócenia w zasilaniu układów elektrycznych mogą bezpośrednio powodować zakłócenia w prawidłowym działaniu urządzeń elektrycznych i istotnie wpływać na ich niezawodność . Realizacja i metody projektowania zasilaczy należą szczególnie od poziomu mocy przetwarzanych .Kiedy moce te są znaczne ( rzędu kW i więcej ), stosuje się zazwyczaj wielofazowe sieci energii pierwotnej , złożone systemy zabezpieczeń , regulacji i chłodzenia oraz nakłada szczególnie wysokie wymagania w zakresie niezawodności działania . Zasilacze takie są obsługiwane przez wysoko kwalifikowanych pracowników i stanowią kosztowne , profesjonalne urządzenia i systemy. Natomiast do zasilania układów elektronicznych stosowanych w aparaturze elektronicznej masowego użytku , w aparaturze pomiarowo-kontrolnej , urządzeniach informatyki i automatycznej regulacji wystarczają zazwyczaj zasilacze stosunkowo proste i dostarczające mocy nie przekraczających setek watów . Zasilacze tego typu można zazwyczaj zestawić z typowych podzespołów ( np. specjalnych układów scalonych ) i projektować przy użyciu stosunkowo prostych metod przybliżonych . Najczęściej spotykanym rodzajem takich zasilaczy jest układ przetwarzający energię jednofazowego prądu przemiennego (50 Hz ) na energię prądu stałego . Dla wypełnienia takiej funkcji w zasilaczu są stosowane zazwyczaj : transformator sieciowy z prostownikiem , filtr (pojedynczy lub złożony , bierny lub aktywny – tranzystorowy) oraz stabilizatory napięcia lub natężenia prądu ( zazwyczaj stałego ). Podzespoły te mogą mieć bardzo różne realizacje i w konsekwencji własności użytkowe.Cechą szczególną układów zasilających jest znaczne obniżenie energetyczne i napięciowe większości ich elementów . Z tego powodu przy projektowaniu i realizacji trzeba szczególną uwagę przywiązać do badania warunków krytycznych , wynikających z wahań obciążeń , napięcia sieci zasilającej , stanów przejściowych oraz zmian temperatury . Na przypomnienie zasługuje także związek niezawodności elementów i układów elektronicznych ze stopniem ich obciążenia energetycznego i napięciowego . Trzeba także podkreślić ogromną różnorodności rozwiązań i problemów związanych z optymalizacją zasilaczy . W takiej sytuacji rozważania , jakie zostaną przeprowadzone dalej , można traktować jedynie jako wprowadzenie do rozległej dziedziny układów zasilających o bogatej i wyspecjalizowanej literaturze . 3.Opis zasilaczy . Urządzenia dostarczające napięć i prądów o wymaganych wartościach do zasilania wszelkiego rodzaju obwodów odbiorczych , nadawczych , elektroakustycznych , pomiarowo – kontrolnych oraz automatyki nazywamy zasilaczami. Schemat blokowy układu zasilania pobierających energię z sieci energetycznej. Układ zasilania sieciowego zawiera układy prostownicze , w których energia prądu przemiennego zostaje przekształcona w energię prądu stałego , układy filtrujące obniżające zawartość tętnień o częstotliwości sieci w napięciach wyprostowanych oraz ewentualne układy stabilizujące napięcia wyprostowane od zmian napięcia sieci i zmian obciążenia . S e i ć z a s a l i ą j c a T a r n s o f m r a o t r s e ic o iw y S a t e ł n a p ę i c e i z a s a l i ą j c e O b w o d y p r o s t o w a n a i O b w o d y t r u l f ią jc e P z r e m e i n n e n a p ę i c e i z a s a l i ą j c e O b w o d y ż a z re n a i ó r w n o e l g e ł g o Rys.3.1 Schemat blokowy układu zasilania pobierających energię z sieci energetycznej zasilania za pośrednictwem transformatora . W niektórych przypadkach na napięcie sieci mogą być nałożone szkodliwe sygnały zakłócające .W celu ograniczenia wpływu tych sygnałów na pracę urządzenia w obwodach sieciowych układów zasilania należy umieszczać filtry zaporowe . Wymagania dotyczące układów prostowniczych są bardzo zróżnicowane w zależności od rodzaju urządzenia zasilanego , od rodzaju elementów czynnych , które zastosowano w urządzeniu zasilanym , oraz od koncepcji rozwiązania układu zasilania w urządzeniu ( np. układy prostownicze z jednym lub kilkoma prostownikami ). Wartości napięć wyprostowanych zawierają się w granicach kilku lub kilkunastu woltów dla urządzeń tranzystorowych i wykorzystujących układy scalone do kilkuset woltów dla urządzeń lampowych . Wartości prądów dostarczane przez prostowniki obejmują przedział od kilku miliamperów do kilku amperów . Oprócz spełniania wymagani prądowo – napięciowych poprawnie rozwiązany układ prostujący powinien charakteryzować się dużą sprawnością , niewielką rezystancją wewnętrzną , szerokim zakresem temperatury pracy i niewielkimi rozmiarami . Mała sprawność elementu prostowniczego lub całego układu prostującego powoduje występowanie bezużytecznych strat mocy , która ponadto podnosi temperaturę wewnątrz zasilanego urządzenia .Wymagania małej rezystancji wewnętrznej wynikają z konieczności uzyskania stałego napięcia wyprostowanego przy zmianach obciążenia . Warunek odporności na wysokie temperatury jest związany ze znacznym ogrzewaniem z wnętrza urządzenia przez niektóre elementy i podzespoły układów funkcjonalnych . Wymagania dotyczące niewielkich rozmiarów wynika z tendencji do zmniejszania objętości zajmowanej przez układy elektroniczne zasilanego urządzenia . W urządzeniach starszego typu do prostowania napięci sieciowych stosowano początkowo prostownicze lampy próżniowe . W miarę rozwoju techniki półprzewodnikowej lampy próżniowe były kolejno zastępowane przez prostowniki selenowe , diody germanowe i diody krzemowe . W nowoczesnych urządzeniach do prostowania napięć sieciowych są stosowane wyłącznie diody krzemowe , obecnie coraz częściej szczególnie w sprzęcie telewizyjnym – krzemowe diody sterowane , zwane tyrystorami. 4. Elementy składowe zasilaczy . 4.1 Prostowniki, Prostowniki są podzespołami zasilaczy , które przetwarzają prąd zmienny na prąd jednokierunkowy . Jest więc pożądane , aby ich sprawność energetyczna była możliwie duża . P o P p ~ Gdzie : Po- moc składowej stałej w obciążeniu prostownika , P– moc czynna pobierana z sieci energetycznej ( pierwotnego źródła energii ) . W praktyce ,przy mocach zasilania kilkanaście – kilkadziesiąt watów , parametr ten nie ma zwykle decydującego znaczenia . Natomiast żąda się od prostownika możliwie dużej skuteczności prostowania W praktyce ,przy mocach zasilania kilkanaście – kilkadziesiąt watów , parametr ten nie ma zwykle decydującego znaczenia . Natomiast żąda się od prostownika możliwie dużej skuteczności prostowania Uo p U~ gdzie :U0 – składowa stała napięcia na obciążeniu , U~ – amplituda składowej zmiennej napięcia na wejściu prostownika ( za transformatorem ) . Tak zdefiniowana skuteczność jest zależna od składowej stałej prądu obciążenia . Graficznym obrazem tej zależności jest tzw. charakterystyka obciążenia prostownika , pokazana przykładowo na rys . 4.2 . Widać z tego rysunku , że wrażliwość skuteczności prostownika na zmiany prądu obciążenia można w różnych rodzajach prostowników , a ponadto przy ustalonym typie prostownika inna przy małych wartościach prądu ( większa ) aniżeli przy wartościach dużych zmniejszenie napięcia wyprostowanego przy wartości prądu obciążenia może być także zinterpretowane w postaci rezystancji wyjściowej prostownika . Jej miarą jest stosunek ubytku napięcia do przyrostu prądu obciążenia gdzie:A; B jak na rys .4. 2. Rp Rys. 4.2 . Przykładowe charakterystyki obciążenia prostowników ( P1 ; P2 ). dU o U o A dI o I o B Widać , że tak zdefiniowana rezystancja może w znacznym stopniu zależeć nie tylko od rodzaju prostownika , ale także od wartości prądu , pobieranego do obciążenia . Ogromna większość układów elektronicznych wymaga , zasilania napięciem stałym bez towarzyszących tętnień czy innych składowych zakłócających . Stąd ważnym parametrem prostownika jest poziom tętnień na jego wyjściu przy danym obciążeniu .Najczęściej stosowany jest współczynnik tętnień , zdefiniowany zależnością t U (m ) U o W większości prostowników współczynnik tętnień wyraźnie zależy od prądu obciążenia , przy czym gdzie : - amplituda dominującej możliwe są sytuacje przedstawione na rys . 4.3. Z tego składowej zmiennej na wyjściu prostownika , o pulsacji m (dla m – punktu widzenia prostownik P2 byłby korzystny przy fazowego prostownika zasilanego z małych prądach , natomiast prostownik P3 – przy sieci prądu zmiennego o pulsacji ) prądach stosunkowo dużych . - składowa stała napięcia na wyjściu prostownika Rys . 4.3 .Przykłady zależności współczynnika tętnień t od prądu obciążenia Poza tymi parametrami każdy prostownik charakteryzują określone związki pomiędzy prądami i napięciami na jego zaciskach zewnętrznych a prądami i napięciami na elementach prostowniczych . Ze związków tych wynikają przede wszystkim wymagania stosowane diodom oraz tyrystorom . Przykładowo : stosunki maksymalnych wartości chwilowych prądu do składowej stałej prądu obciążenia lub stosunki maksymalnego napięcia wstecznego na elemencie prostowniczym do składowej stałej napięcia na obciążeniu będą zależeć zarówno od struktury prostownika , jak też wartości pojemności i indukcyjności odpowiednich elementów składowych . W przypadku asymetrii prostownika ( np. dwupołówkowego lub mostkowego ) mogą pojawić się na wyjściu składowe o pulsacji 1 m , ale zazwyczaj ich 2 amplituda jest nieznaczna. Charakterystyką oznaczoną symbolem P2 otrzymuje się przy prostownikach z obciążeniem pojemnościowych , natomiast oznaczoną symbolem P3 przy prostownikach z obciążeniem indukcyjnym . Charakterystyce P1 odpowjadają prostowniki z obciążeniem rzeczywistym Wartości chwilowe prądów i napięć mogą osiągać szczególnie duże wartości w stanach przejściowych pracy prostownika , powstających przy nagłych zmianach obciążeniach lub amplitudy napięcia zasilanego . 4.2. Budowa i działanie prostownika. Prostownik jest to urządzenie przekształcające prąd rzemienny w prąd jednokierunkowy stały. Podstawowym elementem prostownika jest zawór elektryczny. Element ten charakteryzuje się znaczną asymetrią rezystancji, zależną od kierunku przepływu prądu elektrycznego. Rezystancja zaworu w kierunku przewodzenia jest mała, a w kierunku zaporowym – duża. We współczesnych urządzeniach elektronicznych zaworem elektrycznym najczęściej jest dioda półprzewodnikowa (element niesterowalny ), lecz może nim być także tyrystor (element sterowany ) lub lampa elektronowa. Rys.4.4. Schemat i charakterystyka prostownika: a) jednopołówkowego Przedstawia schemat i charakterystykę prostownika jednopołówkowego, b) dwupołówkowego. przedstawia schemat i charakterystykę prostownika dwupołówkowego. Charakterystyki układu prostowniczego jednopołówkowego z zastosowaniem filtrów: a) bez filtra, b) z kondensatorem, c) dwa kondensatory połączone równolegle, d) dwie cewki połączone szeregowo, e)cewka i kondensator. Charakterystyki układu prostowniczego dwupołówkowego z zastosowaniem filtrów: a) bez filtra, b) z kondensatorem, c) dwa kondensatory połączone równolegle, d) dwie cewki połączone szeregowo, e) cewka i kondensator. Przyjmując, że dioda jest elementem idealnym, otrzymuje się w tym prostowniku przebiegi czasowe napięć takie jak rys. 4.4.a. W pierwszej, dodatniej połowie okresu napięcia sieci dioda przewodzi, gdyż biegunowość napięcia zasilania jest zgodna z polaryzacją diody w kierunku przewodzenia, zatem przez obciążenie płynie prąd. Ponieważ spadek napięcia w kierunku przewodzenia na idealnej diodzie jest równy zeru, zatem całe napięcie zasilania występuje na rezystorze R. W drugiej, ujemnej połowie okresu napięcia zasilania, dioda nie przewodzi, gdyż biegunowość napięcia zasilania jest zgodna z polaryzacją diody w kierunku zaporowym. Wobec tego prąd w obwodzie nie płynie, a cały spadek napiecia zasilania odkłada się na diodzie. Łatwo można zauważyć, że prąd obciążenia płynie tylko w czasie jednej połowy okresu napięcia zasilania, dlatego też taki prostownik nazywa się prostownikiem jednopołówkowym. Gdy amplituda napięcia wejściowego jest mała trzeba uwzględnić również napięcie progowe diody. Współczynnik tętnień napięciowych prostownika półokresowego jest duży, a sprawność mała. Warunki pracy transformatora w tym przypadku nie są dobre, ponieważ składowa stała prądu wpływa negatywnie na transformator. Znacznie lepsze właściwości mają prostowniki dwupołówkowe (pełnookresowe). Schemat prostownika dwupołówkowego przedstawia rys. 4.4.b.. Dwie diody D1 i D2 tworzą dwa prostowniki półokresowe połączone tak, że przewodząc na przemian w kolejnych półokresach napięcia zasilania dostarczają do obciążenia prądy I1 i I2 , których suma składa się na wypadkowy prąd IR prostownika. Porównując ten układ z prostownikiem półokresowym doszedłem do wniosku, że w prostowniku pełno okresowym współczynnik tętnień napięciowych jest 2 – krotnie mniejszy, a wartość średnia napięcia i prądu obciążenia jest 2 – krotnie większa. Niestety niewątpliwą wadą tego prostownika jest to, że również 2 – krotnie zwiększa się szczytowe napięcie wsteczne diody nieprzewodzącej. W tym układzie warunki pracy transformatora też są niekorzystne , gdyż przez transformator również płynie prąd stały. Straty w rdzeniu istnieją jednak transformator pracuje trochę w lepszych warunkach. Najczęściej stosowanym w praktyce prostownikiem jest prostownik pełno okresowy mostkowy ( w układzie GRAETZA ), rys.4.5. W układzie tym zastosowano cztery diody połączone tak, że zawsze dwie są w stanie przewodzenia, a pozostałe dwie są w stanie nie przewodzenia. W obu półokresach prąd płynący przez obciążenie ma taki sam kierunek . Zaletami prostownika mostkowego są : Możliwość stosowania transformatora bez wyprowadzenia środkowego, nie pojawia się stały strumień magnetyczny w transformatorze wytwarzający składową prądu , szczytowe napięcie wsteczne na każdej diodzie jest 2 – krotnie mniejsze niż w przypadku prostownika z rys. 4.4. Można zauważyć, że podając napięcie ok. 1V pojedyncza dioda przewodzi duży prąd. Chcąc uzyskać większe prądy przy dość małym napięciu należałoby połączyć kilka diod równolegle. Przy tym samym napięciu prąd płynący przez jedną diodę jest mniejszy niż prąd płynący przez co najmniej dwie diody. Rys. 4.5. Układ prostowniczy dwupołówkowy z mostkiem: a) schemat układu; b) przebieg napięcia; c) przebieg prądu obciążenia; d) przebieg napięcia na obciążeniu. Charakterystyki układu prostowniczego dwupołówkowego z mostkiem z zastosowaniem filtrów: a) bez filtra, b) z kondensatorem, c) dwa kondensatory połączone równolegle, d) dwie cewki połączone szeregowo, e) cewka i kondensator, Przy konstruowaniu prostowników należy zwrócić uwagę na parametry elementów prostowniczych. Przy stosowaniu diod prostowniczych należy uwzględnić główne parametry diod jak np. napięcie progowe, napięcie przebicia, wsteczny prąd nasycenia, maksymalny prąd przewodzenia diody, maksymalna moc strat wydzielona na diodzie. 4.3. Parametry prostowników. Parametry prostownika służą do oceny jakości prostownika. Są nimi: wartość średnia prądu i napięcia (I0, U0), wartość skuteczna prądu i napięcia (I, U), częstotliwość tętnień (ft), współczynnik tętnień (kt), współczynnik sprawności prostownika (kp), Wartość średnia prądu i napięcia. Wartość średnią przebiegu (napięcia) zmiennego nazywa się średnia arytmetyczną bezwzględnych tego przebiegu w ciągu jednego okresu U0 I0 Um Im U0 0,45 U2 I 0 0,45 I 2 gdzie : Um- wartość maksymalna napięcia . Im- wartość maksymalna prądu. Wartość skuteczna prądu i napięcia: Wartość skuteczną prądu przemiennego wyraża się umowną wartość prądu stałego, Który płynąc w obwodzie o stałej wartości oporu elektrycznego wytworzy taką samą energię jak dany prąd przemienny płynący w tym samym czasie. Im I 2 Um U 2 U 0.707U 2 I 0.707 I 2 Współczynnik tętnień: Współczynnikiem tętnień prostownika nazywamy stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej napięcia na wyjściu prostownika (U) do wartości składowej stałej na tym wyjściu (U0). U kt U0 kt=1.21 Współczynnik sprawności prostownika. Współczynnik sprawności prostownika jest to stosunek mocy użytej uzyskanej na odbiorniku do mocy wejściowej prądu zmiennego: Kp=0.4 P0 kp P2 4.4 Filtry. Poziomy tętnień uzyskane na wyjściu prostowników są często zbyt duże dla prawidłowej pracy zasilanych układów elektronicznych. Z tego powodu pomiędzy prostownik a zasilane układy ( obciążenia włączamy – w sposób pokazany na rys. 4.6 – odpowiednie filtry dolnoprzepustowe , dostosowane do przepuszczania składowych stałych o określonych napięciach i natężeniach . P ro s to w n ik U k ła d z a s la i ją c y F iltr IO U 0 1 U 0 2 R O U U m ) ( 1 m ( ) 2 Rys. 4.6 .Filtr jako element układu zasilającego. Podstawowym parametrem filtru jest zatem współczynnik filtracji q q U (m ) 1 U (m ) 2 Wymagane wartości liczbowe tego parametru zależą od rodzaju zasilanego układu oraz parametrów prostownika i zawierają się zwykle w przedziale od kilkunastu do kilkunastu tysięcy . Od filtru wymagane są także możliwie małe spadki wartości składowych napięcia . Stąd drugim parametrem filtru jest jego sprawność napięcia U 02 U 01 zazwyczaj zawarta w przedziale ( 0,3 – 0,9 ) . Natomiast za wypadkową miar jakości filtru uważa się iloczyn wyżej wymienionych parametrów q Inną ważną cechą filtru jest niezawodność jego działania. Jest to problem często niedoceniany przez konstruktorów aparatury elektronicznej , a dość krytyczny z powodu przenoszenia prądów o znacznych wartościach przy ograniczonych i minimalizowanych wymiarach i masie elementów składowych filtru . Warto podkreślić , że stosowane w takich filtrach kondensatory elektrolityczne mogą być znacznie nagrzewane wskutek stratności i przepływu dużych prądów tętnień , co zasadniczo powiększa prawdopodobieństwo ich uszkodzenia . Najprostszą realizacją filtru są układy bierne LC lub RC – pokazane przykładowo na rys. 4.7. Rys.4.7.Przykłady filtrów biernych Filtr RC stosuje się przy małych wartościach prądów ( I 0 10mA ), dobierając zazwyczaj rezystancję tak , by łączny spadek stałej spełniał warunek U R (0,15 0,25)U.01 Filtry LC ( rys.4.7.d. i 4.7.e.) stosuje się przy obciążeniach średnich ( do kilkuset mA ) , natomiast gdy prądy osiągają wartości amperów , zazwyczaj ograniczamy się do szeregowego dławika ( filtr z rys. 4.7.d ) przy C = 0. W niektórych napięcia składowej przypadkach stosuje się także filtry ( LC + RC ) – jak na rys. 4.7.f – szczególnie kiedy poziomy tętnień i pobieranych prądów są znacznie zróżnicowane . projektowanie takich filtrów jest w zasadzie proste Żądamy zwykle by zachodziły zależności pozwala dla katalogowych wartości pojemności ( 1 C1 C2 C3 zwykle dziesiątki – setki F) ustalić pozostałe (m )C Ro 2 parametry na podstawie wymaganej wartości 1 współczynnika filtracji q . (m ) L1,2 (m )C1,2 Rys. 4.8. Przebieg funkcji ( q ,n ) Jeśli jednak obciążenie filtru ulega szybkiemu wahaniu w czasie ( np. układy modulowane lub manipulowane , inne układy sterowane dużymi sygnałami ) wówczas istotną rolę zaczynają odgrywać stany przejściowe w filtrze . W przypadku filtrów LC pojawiają się wówczas złożone oscylacje , mogące prowadzić do zakłóceń w pracy zasilanego układu , a nawet uszkodzenia filtru w wyniku przejściowo powstających przepięć i przetężeń . Wreszcie dość złożona może być optymalizacja filtru pod kątem uzyskania minimalnej masy jego elementów , a nawet minimalnego iloczynu sumy ; pojemności i indukcyjności . Przykładowo , przyjmując strukturę ogniwa filtru jak na rys. 4.7.d stwierdzimy że przy n jednakowych ogniwach połączonych kaskadowo LC 1 ( q , n) (m ) 2 gdzie : zmiany (q , n) są pokazane na rys . 4.8 . Wśród filtrów biernych spotkamy czasami układy bardziej złożone , w szczególności pokazane na rys . 4.9. Filtry z rys . 4.9.a i 4.9.b należą do grupy filtrów rezonansowych , wykorzystujących własności odpowiednich obwodów rezonansowych LC do strumienia dominującej składowej tętnień ( czy zakłóceń ). Oczywistą wadą takich filtrów jest ich wrażliwość na zmiany częstotliwości tętnień , jakie mogą powstać wskutek wahań częstotliwości w sieci energetycznej . Filtry z rys . 4.9.c i 4.9.d należą do grupy filtrów z kompensacją . Przy ustalonym obciążeniu ( - constanst ) można w nich dobrać tak parametry L ,C , R aby uzyskać współczynnik filtracji q znacznie większy aniżeli w układach prostych , o identycznych wartościach . Ogólnie można stwierdzić , że filtry bierne odznaczają się prostotą , niezawodnością działania , stosunkowo dużą sprawnością ( która – dodatkowo nieznacznie zależy od temperatury ). Rys. 4.9.Przykłady filtrów złożonych . Natomiast ich wadami są : znaczne gabaryty i koszty elementów , niekorzystne stany przejściowe ( w filtrach LC ) oraz wzrost impedancji wyjściowej od strony wyjścia filtru przy zmniejszeniu pulsacji . Przeciwnie wyglądają własności filtrów aktywnych , wykorzystujących elementy stosowane do tłumienia tętnień i zakłóceń. Istnieje duża różnorodność układów takich filtrów . Przykładem pierwszej grupy tzw. filtrów kolektorowych może być układ pokazany na rys. 4.10.a . Rys.4.10 przykłady filtrów kolektorowych ( a i b ) oraz ilustracje do analizy filtru z rys. a ( rys b i c). Zauważmy , że układy z rys. 4.10.a można narysować w postaci pokazanej na rys. 4.10.b . Tętnienia na wejściu filtru powodują powstanie składowych zmiennych w napięciach oraz . Jednakże poziomy przebieg charakterystyk kolektorowych tranzystora pozwala pominąć wpływ tętnień napięcia kolektorowego na składową zmienną prądu kolektora , co prowadzi do przybliżonego układu pracy takiego filtru , pokazano na rys. 4.10.c. W celu powiększenia współczynnika filtracji trzeba powiększać pojemność ( co może prowadzić do niekorzystnych stanów przejściowych ) albo stosować układy bardziej rozbudowane – jak przykładowo pokazano na rys. 4.10.d. Ogólnie o filtrach tej grupy można powiedzieć , że włączenie opornika powoduje stosunkowo małą sprawność energetyczną ( ok. 60 % ) , a ponadto impedancji wyjściowa jest praktycznie równa reaktancji kondensatora , a więc jest dość znaczna przy małych częstotliwościach .Filtry takie cechuje także znaczna wrażliwość na zmiany temperatury , prowadząca w szczególności do zależności składowej stałej napięcia od . Inną grupą filtrów – tzw. emiterowych przedstawia rys. 4.11. Najprostszy z nich , przedstawiony na rys . 4.11.a , można także narysować jak na rys . 4.11.b . Przeprowadzając analogiczne rozumowanie jak w przypadku filtru kolektorowego możemy narysować przybliżony układ pracy takiego filtru ( rys. 4.11.c ) . Przyjmując założenie 1 R mC możemy napisać U b ( m ) U ( m )1 I b ( m ) U ( m )1 1 1 jmRC jmRC U b ( m ) 0 R0 rb e rbb | U ( m ) 2 0 I b ( m ) R0 | 0 R0U ( m )1 jmRC 0 R0 rb e rbb | Stąd przybliżona wartość współczynnika filtracji rbb| rb|e 0 q mRC 1 R0 | Rys. 4.11 Przykłady filtrów emiterowych oraz ilustacje ( 4.11.b i 4.11.c) do analizy filtru z rys . 4.11.a . Z rysunku 4.11.b widać , że rezystancja obciążenia jest w układzie zasilania poprzez wtórnik emiterowy .Wynikają stąd istotne zalety takich filtrów , a mianowicie : mała rezystancja wyjściowa , mała wrażliwość na zmiany temperatury i wymianę egzemplarza tranzystora ( silne sprzężenie zwrotne ) , stosunkowo duża sprawność (do ok. 80 % ). Aby zatem usunąć pewną wadę takich filtrów , jaką jest niewielki współczynnik filtracji stosuje się dwuogniowy filtr RC , sterujący bazą ( rys. 4.11.d ) dwójniki z pomocniczym tranzystorem T2 o dużej rezystancji dla składowych zmiennych ( rys. 4.11.c ) i ewentualnie zastępuje kondensator w filtrze sterującym bazą odpowiednią diodą Zenera ( rys. 4.11. f ) . 4.5 Transformatory Transformatorem nazywamy aparat służący do zmiany prądu przemiennego o jednym napięciu na prąd przemienny o innym napięciu . Transformator w swej najprostszej postaci składa się z zamkniętego rdzenia , wykonanego z pasów blachy transformatorowej jednostronnie izolowanej odpowiednio nakrzemionej o grubości od 0,35 mm do 0,5 mm , odizolowanych do siebie bibułą lub lakierem izolacyjnym . Blachy transformatora pakietuje się : na styk , na zakładkę i zaplecenie prostokątne . Przekrój poprzeczny kolumny może być kwadratowy , krzyżowy lub wielo schodkowy , przy czym cewki nakładane na kolumny mają kształt kołowy . Uzwojenie pierwotne i wtórne każdej fazy umieszcza się tych samych kolumnach , w celu powiększenia sprzężenia magnetycznego uzwojeń przez powiększenie współczynnika indukcji wzajemnej oraz w celu zmniejszenia spadku napięcia indukcyjnego . Strumienie rozproszenia , jako pochodzące od prądów przeciwnie skierowanych , również są skierowane przeciwnie i dlatego częściowo cię znoszą ; pozostają zaś tylko te , które zamykają się dookoła poszczególnych cewek . Rozróżniamy dwa rodzaje cewek transformatorowych , cylindryczne i krążkowe . Przy uzwojeniach cylindrycznych uzwojenie wyższego napięcia znajduje się zazwyczaj na zewnątrz , zaś niższego wewnątrz , z tego względu , że niższe napięcie łatwiej jest odizolować od rdzenia żelaznego . Przy uzwojeniach krążkowych oba uzwojenia każdej fazy rozdziela się na szereg cewek , przy czym cewki mogą być ze połączone szeregowo lub równolegle . Na zewnątrz przy jarzmach umieszcza się cewki należące do niższego napięcia , ze względu na łatwiejsze ich odizolowanie od żelaza , przy czym jedna z cewek niższego napięcia dzieli się na połowy , aby było ich o jedną więcej niż cewek wyższego napięcia . W ten sposób wszystkie cewki wysokiego napięcia znajdują się wewnątrz cewki niższego napięcia . 5. Układy prostownicze. 5.1. Analiza pracy układu prostownika jednopołówkowego jednofazowego z obciążeniem rezystancyjnym. Najprostszy prostownik półfalowy (jednopołówkowy), jednofazowy z obciążeniem rezystancyjnym (rys 4.1a) stanowi dioda D włączona w szereg z rezystorem R0. Dioda ta przewodzi, gdy napięcie na niej jest dodatnie, przy założeniu, że dioda jest idealna (RF = 0, RR = ). Jeżeli napięcie zasilające jest sinusoidalne (u2 = U2msin t, gdzie U2m =2, U2 –wartość maksymalna napięcia, = 2f – pulsacja), to prąd płynie przez obciążenie tylko przez pół okresu tego napięcia (rys 4.1b) Rys.5.1. Prostownik jednofazowy półfalowy z obciążeniem rezystancyjnym a)schemat b)przebiegi napięć i prądu w układzie Napięcie na obciążeniu u0 = U2msint dla 0 t u0 = 0 dla t 2 a prąd i0 uo Ro Z wzoru wynika , że napięcie na obciążeniu ma składową stałą U 2m U os będącą sygnałem użytecznym oraz szereg składowych zmiennych, które nazywają się napięciem tętnień. Największe znaczenie ma składowa zmienna o największej amplitudzie tzw. harmoniczna podstawowa. otrzymujemy współczynnik tętnień kt Dla prostownika półfalowego pulsacja 2 harmonicznej podstawowej wynosi , a Wynika więc, że sprawność energetyczna amplituda prostownika 4 p 2 0,405 U U o1m 2m 2 Prostownik półfalowy z obciążeniem rezystancyjnym ma zatem małą sprawność oraz duże tętnienia pulsacji harmonicznej podstawowej . Oznacza to, że energii pobieranej ze źródła napięcia zmiennego jest tracone w postaci nieużytecznej. Słabo wykorzystany jest wówczas też transformator sieciowy, przez który przepływa także składowa stała Ios prądu. Powoduje ona namagnesowanie rdzenia transformatora , czyli przesunięcie jego punktu pracy do zakresu o małej przenikalności i dużym prądzie magnesowania. Powoduje to konieczność użycia transformatora o większych rozmiarach niż wynika to z mocy wydzielonej w obciążeniu W praktyce układ ten stosuje się rzadko, na ogół przy małych mocach, nie przekraczających kilkudziesięciu watów. 5.2. Analiza pracy układów prostowniczych dwupołówkowych z obciążeniem rezystancyjnym. Układ prostownika dwupołówkowego realizuje się w dwóch wersjach: z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora (rys 5.2a), oraz diodami w układzie Graetza (rys5.2b). Rys. 5.2. Schemat prostownika całofalowego z obciążeniem rezystancyjnym oraz przebiegi napięć i prądów. a) z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora b) w układzie mostkowym Graetza 5.2. 1 Analiza pracy układu prostowniczego jednofazowego dwupołówkowego z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora. W układzie tym w czasie półfali dodatniej napięcia wyjściowego przewodzi dioda D1 i prąd płynie przez górną część uzwojenia transformatora, diodę D1 i obciążenie R0. W czasie półfali ujemnej przewodzi dioda D2 i prąd płynie tak, jak zaznaczono liniami kreskowanymi na (rys 4.2a). 5.2. 2 Analiza pracy układu prostowniczego jednofazowego dwupołówkowego z diodami w układzie mostkowym Greatza. W układzie Greatza w czasie półfali dodatniej napięcia wejściowego prąd płynie przez uzwojenie wtórne , diodę D1, obciążenie R0 i diodę D3, a przy półfali ujemnej - przez uzwojenie wtórne, diodę D4, obciążenie R0 i diodę D2 (rys 4.2b). W obu układach prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku i ma charakter pulsujący. Obydwa układy mają większość parametrów identycznych. Jednakże w układzie mostkowym napięcie wsteczne na każdej diodzie jest dwukrotnie mniejsze, co umożliwia zastosowanie diod o mniejszym dopuszczalnym napięciu wstecznym. Układ zapewnia też lepsze wykorzystanie mocy transformatora. Wadą jego jest konieczność użycia czterech diod. Zależności określające najważniejsze parametry obu układów zestawiono w tabeli1 Porównując prostowniki pół- i całofalowe można wyciągnąć następujące wnioski. Prostowniki całafalowe mają sprawność znacznie większą oraz wielokrotnie mniejszy współczynnik tętnień, przy czym częstotliwość harmonicznej podstawowej tętnień jest dwukrotnie większa. Ich wadą jest bardziej skomplikowany układ i większa liczba diod. Tabela 1. Parametry podstawowych jednofazowych układów z obciążeniem rezystancyjnym. Układ Tabela 1. Pólfalowy Całofalowy z Całofalowy wyprowadzonym Mostkowy Środkiem Składowa stała U OS Napięcia Uos Sprawność p Energetyczna p Współczynnik kt Tętnień kt U 2m 4 2 2 2U 2 m U OS 0.405 p 1,571 k t 8 2 U OS 0,811 p 2U 2 m 8 2 0,811 2 2 0,666 k t 0,666 3 3 Maksymalna Wartość napięcia Wstecznego na U Rm U 2 m U Rm U 2 m U Rm U 2 m ie diodzie URm Przy dużych prądach obciążenia o wartości setek i tysięcy amperów korzysta się z trójfazowych źródeł zasilających. 5.3 Analiza pracy układu prostowniczego trójfazowego mostkowego. W układzie prostowniczym mostkowym (rys 4.3) każda faza jest połączona z dwiema diodami. Prąd płynie przez taką diodę pierwszej grupy, której napięcie anody ma największą dodatnią wartość chwilową i taką diodę drugiej grupy, której napięcie anody ma największą ujemną wartość chwilową. Prąd obciążenia płynie zawsze przez dwie diody i dwie fazy uzwojenia wtórnego transformatora. Przebieg napięcia na obciążeniu ( a przy obciążeniu rezystancyjnym i prądu obciążenia) wynika z chwilowych wartości napięć międzyfazowych. Prąd każdej fazy składa się natomiast z dwóch impulsów o czasie trwania 1/m okresu. Kierunek ich przepływu jest przeciwny, dzięki czemu prąd fazowy nie zawiera składowej stałej i nie powoduje podmagnesowania rdzenia. Dzięki temu zyskuje się lepsze wykorzystanie transformatora i większą sprawność energetyczną p. Układy mostkowe zawierają dwukrotnie większą liczbę diod. Katody tych diod maja różne potencjały. Stwarza to kłopoty przy stosowaniu radiatorów. Pomimo to układy mostkowe są często używane przy dużych mocach, ze względu na dobre wykorzystanie transformatora. W celu poprawy właściwości w układach prostowniczych stosuje się elementy reaktancyjne L, C. Spełniają one dwa podstawowe zadania: - zmniejszają tętnienia oraz magazynują energię, w czasie gdy zmienne napięcie prostowane ma dużą wartość, by zwrócić ją do obciążenia wówczas, gdy napięcie to maleje. Elementy te dołącza się w dwojaki sposób: - pojemnociowo równolegle do obciążenia, a indukcyjne w szereg z obciążeniem. Otrzymuje się w ten sposób prostowniki z obciążeniem rezystancyjno-pojemnościowym oraz obciążeniem rezystancyjno-indukcyjnym. Rys 5.3 Prostownik trójfazowy mostkowy: a) schemat b) przebieg napięć i prądów 6. Wyznaczanie podstawowych parametrów prostownika. W celu wyznaczenia podstawowych parametrów prostownika należy zastosować układ przedstawiony na rys.6.1. Rys. 6.1. Schemat układu do pomiarowego do badania zasilacza. Parametry zasilacza wyznacza się na podstawie wskazań następujących przyrządów: - amperomierza elektromagnetycznego A1 – wartość skuteczna prądu w uzwojeniu pierwotnym, - amperomierza elektromagnetycznego A2 - wartość skuteczna prądu w uzwojeniu wtórnym, - amperomierza magnetoelektrycznego A3 - wartość średnia prądu wyjściowego, - amperomierza elektromagnetycznego A4 - wartość skuteczna prądu wyjściowego, - woltomierza elektromagnetycznego V1 - wartość skuteczna napięcia w uzwojeniu pierwotnym, - woltomierza elektromagnetycznego V2 - wartość skuteczna napięcia w uzwojeniu wtórnym, - woltomierza magnetoelektrycznego V3 - wartość średnia napięcia wyjściowego, - woltomierza elektromagnetycznego V4 - wartość skuteczna napięcia wyjściowego, W celu wyznaczenia średnich wartości prądu i napięcia wyprostowanego odczytujemy wskazania woltomierza V2 . W celu wyznaczenia współczynnika tętnień odczytujemy wskazania mierników V4 i V3. W celu wyznaczenia współczynnika wykorzystania transformatora korzystamy ze wskazań mierników: V3, A3 oraz V1, A1. W celu wyznaczenia sprawności prostownika wykorzystujemy wskazania mierników: V3, A3 oraz V2, A2. W celu wyznaczenia współczynnika kształtu, wykorzystujemy wskazania mierników V3, A3. Należy pamiętać o tym, że mierniki mogą fałszować wyniki pomiarów, toteż przy wykonywaniu danego pomiaru powinny być włączone jedynie przyrządy, których wskazania bezpośrednio nas interesują.
