Основные магнитные величины и законы электромагнитного поля.

Основные магнитные величины и законы электромагнитного поля.

Магнитная цепь – совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью магнитодвижущей силы, магнитного потока и разности магнитных потенциалов.

Магнитная индукция векторная величина, определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Единицей магнитной индукции является тесла (Тл).

Напряженность магнитного поля векторная величина, которая равна геометрической разности вектора магнитной индукции , деленного на магнитную постоянную , и вектора намагниченности , А/м:

где намагниченность, характеризующая магнитное поле состояния вещества, А/м.

Абсолютная магнитная проницаемость величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Для изотропных веществ магнитная проницаемость является скалярной величиной, равной отношению модуля магнитной индукции к модулю напряженность магнитного поля:

Относительная магнитная проницаемость величина, равная отношению абсолютной магнитной проницаемости к магнитной проницаемости

Для воздуха , так как Относительная магнитная проницаемость – величина безразмерная.

Магнитный поток Ф – поток вектора магнитной индукции сквозь некоторую поверхность S:

где dS – элемент поверхности S; α – угол между направлением вектора магнитной индукции и перпендикуляром к поверхности dS.

В случае когда вектор магнитной индукции перпендикулярен пронизываемой им поверхности S, т.е. угол α = 0,

Магнитный поток выражается в веберах (Вб) и является интегральной оценкой магнитного поля.

Магнитодвижущая сила (МДС) F – скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности магнитного поля вдоль рассматриваемого замкнутого контура l, охватыващего полный ток, который создает это поле:

где dl – элемент контура интегрирования.

Магнитодвижущая сила измеряется в амперах.

Закон полного тока:

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль контура l равна полному электрическому току, протекающему через поверхность S, натянутую на контур l, если направление тока образуют с направлением обхода контура правовинтовую систему.

Законы Ома и Кирхгофа справедливы для магнитной цепи.

Закон электромагнитной индукции:

ЭДС электромагнитной индукции e_и в контуре l равна скорости изменения магнитного потока через поверхность S, натянутую на контур l, причем направление скорости изменения магнитного потока образует с направлением e_илевовинтовую систему.

где – напряженность стороннего электрического поля.

Схема замещения индуктивной катушки с ферромагнитным сердечником.

Рассмотрим электромагнитные процессы в цепи катушки с ферромагнитным сердечником при подключении ее к синусоидальному напряжению (рис.1).

Рис.1. Схема замещения электрической цепи катушки с ферромагнитным сердечником

На основании второго закона Кирхгофа имеем:

Активное падение напряжения ir относительно мало и для анализа общего характера процесса им можно пренебречь:

отсюда

Ф = -

Здесь A - постоянная величина магнитного потока, которая при питании синусоидальным напряжением (в установившемся режиме) равна нулю. Поэтому

(1)

где

Будем считать, что начальная фаза потока равна 0, т.е. . Тогда , т.е. ЭДС отстает от индуцирующего ее потока на .

, где

;

(2)

- уравнение трансформаторной ЭДС.

Автотрансформатором.

Автотрансформаторы являются самостоятельными приборами класса трансформаторов. В отличие от силовых двухобмоточных трансформаторов они имеют одну обмотку для высоко и низкого напряжений. При этом обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения. Поэтому обмотки имеют не только магнитную связь, но и гальваническую; следовательно энергия передается двумя путями: через гальваническую связь и магнитную. Однофазный понижающий трансформатор изображен на рис. 1.

Рис 1. Схема однофазного понижающего трансформатора.

Высокое напряжение подведено к обмотке, имеющей витков, из которых витков являются обмоткой низкого напряжения.При разомкнутой вторичной обмотке устанавливаются ток холостого хода, равный . Магнитодвижущая сила , создаваемая этим током, индуцирует ЭДС в первичной и вторичной обмотках автотрансформатора по закону электромагнитной индукции . Тогда коэффициент трансформации

что равно коэффициенту трансформации обычного трансформатора. При включении нагрузки во вторичной цепи протекает ток , который создает МДС. Тогда магнитный поток в сердечнике

Отсюда видно, что ток в общей части обмотки значительно меньше, так как автотрансформаторы имеют коэффициент трансформации 1< n< 3. Поэтому при изготовлении автотрансформаторов затрачивается меньше ферромагнитного металла и проводов. Автотрансформаторы применяют как силовые устройства при передаче электрической энергии, для пуска мощных электрических двигателей и регулирования напряжения. По условиям техники безопасности нельзя применять трансформаторы, у которых первичное напряжение относится к категории высоких напряжений, а вторичное – к категории низких. Потери энергии в автотрансформаторах меньше, чем в двухобмоточных трансформаторах; следовательно, автотрансформаторы обладают большим КПД.

При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащий пусковой момент и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

Возможны три способа пуска двигателя в ход: 1) прямой пуск, когда цепь якоря подключается непосредственно к сети на ее полное напряжение; 2) пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря; 3) пуск при пониженном напряжении цепи якоря.

Прямой пуск

При n = 0 также E_а = 0 и, согласно выражению

I_а = U_а / R_а.

(1)

В нормальных машинах R_а = 0, 02 – 0, 1, и поэтому при прямом пуске с U = U_н ток якоря недопустимо велик:

I_а = (5 – 10) I_н.

Вследствие этого прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых R_аотносительно велико и поэтому при пуске I_а ≤ (4 – 6) I_н, а процесс пуска длится не более 1 – 2 с.

Интегральные микросхемы.

Интегральной микросхемой (ИМС) называют устройство с высокой плотностью упаковки электрически связанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и пр.), выполняющее заданную функцию обработки (преобразования) электрических сигналов. С точки зрения конструктивно-технологических и эксплуатационных требований ИМС представляет собой единое изделие. Отдельные элементы ИМС, не имеющие внешних выводов, не могут рассматриваться как самостоятельные изделия, в то время как компоненты, являющиеся частью ИМС, можно рассматривать как самостоятельные комплектующие изделия, например, навесные бескорпусные транзисторы, дроссели и т.д.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы делятся на пленочные, полупроводниковые ИМС и микросборки. Пленочные ИМС могут быть тонко- и толстопленочными, имеют в своем составе как элементы, так и компоненты. В последнем случае их называют гибридными ИМС.

ИМС, в которой все активные и пассивные элементы и их соединения выполняются в виде сочетания неразъемно связанных р—п-переходов в одном полупроводниковом кристалле, называются полупроводниковой. Полупроводниковый кристалл, в объеме и на поверхности которого с помощью планарной технологии формируют элементы микросхемы и контактные площадки, играет активную роль.

ИМС, содержащая подложку (диэлектрическое основание), все пассивные элементы на поверхности которой выполняют в виде однослойных или многослойных пленочных структур, соединенных неразъемными пленочными проводниками, а полупроводниковые приборы и другие компоненты размещены на подложке в виде дискретных навесных деталей, называется гибридной (ГИМС).

Поскольку и полупроводниковая, и пленочная технологии имеют свои достоинства, то при производстве микросборок, выполняющих более сложные функции, чем ИМС, и состоящих из сочетания элементов, компонентов и ИМС, используют сочетание обеих технологий.

Количественную оценку параметров ИМС производят с использованием двух наиболее важных показателей: уровня интеграции и плотности упаковки. Десятичный логарифм от уровня интеграции — количества N входящих в ИМС элементов, округленного до ближайшего большего целого числа, т.е. К =LgN, называют степенью интеграции ИМС. ИМС первой степени интеграции (К= 1) имеют до 10 элементов, второй — до 100 (К= 2) и т.д. Количество элементов и компонентов, содержащихся в 1 см³ объема ИМС, называют плотностью упаковки. Современные полупроводниковые ИМС имеют К= 6, а плотность упаковки может достигать 10⁵ эл/см³ и более, при этом размеры отдельных элементов не превышают 1мкм. Площадь полупроводникового кристалла ИМС в зависимости от сложности составляет 0, 3...0, 6 мм² (площадь кристаллов, применяемых в ЭВМ, достигает 40 мм² и более).

Исходным материалом для изготовления полупроводниковых ИМС являются пластины кремния толщиной не более 50 мкм и диаметром до 100 мкм, называемые подложкой. В ИМС последних поколений вместо кремния используют арсенид галлия. В основе формирования элементов на подложке лежитпланарная технология с двумя ее разновидностями: планарно-диффузионной и планарно-эпитаксиальной.

При планарно-диффузионной технологии исходную пластину монокристалла, в которой формируют р—n-переход, покрывают тонким защитным слоем диэлектрика. После этого способом фотолитографии изготовляют первую оксидную маску, для чего в защитном слое делают отверстия (окна) требуемой конфигурации по числу необходимых р—n-переходов. Для этого защитный слой покрывают тонким слоем светочувствительной эмульсии — фоторезиста, на поверхность которого проектируют требуемый рисунок маски. После этого изображение проявляется, и засвеченные участки фоторезиста стравливаются, обнажая защитный слой. С помощью травления обнаженные участки защитного слоя растворяют, и таким образом формируется требуемая совокупность окон. Через полученные окна производят диффузию необходимых примесей в исходную подложку кремния.

Планарно-эпитаксиальная технология дает возможность наращивать полупроводниковый слой на подложку любого типа проводимости, при котором кристаллическая структура наращенного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Состав наращенного слоя (эпитаксиальной пленки) может отличаться от состава подложки. Наращивая эпитаксиальный слой n-типа на подложку из кремния р-типа, можно сформировать р—n-переход, причем однородный по структуре эпитаксиальный слой может служить основой для изготовления других р—n-переходов, если его покрыть защитным слоем, а затем повторить технологический процесс, изложенный при рассмотрении планарно-диффузионной технологии.

Рассмотрим некоторые технологические приемы планарной технологии.

Окисление исходного кремния производят при температуре около 1000 °С в среде влажного кислорода до образования на поверхности пластины кремния диэлектрической пленки диоксида кремния (SiO₂) толщиной до 2 мкм.

Фотолитографию используют для защиты отдельных участков кремниевой пластины при создании окон. На поверхность пластины наносят слой фоторезиста, который засвечивают через шаблон с прозрачными и непрозрачными участками в соответствии с количеством и конфигурацией окон. После обработки фотослоя отдельные его участки вытравливают, чем обеспечивается локальный доступ к поверхности пластины.

Травление — операция, при которой образовавшаяся на поверхности пластины пленка SiO₂ растворяется плавиковой кислотой на незащищенных участках.

Диффузия — операция по формированию р—n-переходов на заданных участках полупроводника. Пластину кремния помещают в термостат с температурой около 1200 °С, содержащий газ с необходимыми примесями, диффундирующими в исходный полупроводник через окна в пленке SiO₂. Изменяя тип и концентрацию примесей, можно получить требуемую многослойную р—n-структуру в кристалле полупроводника.

Эпитаксия — операция по наращиванию при высокой температуре слоя полупроводника одного типа проводимости на поверхности исходной пластины полупроводника другого типа проводимости. При этом, как было указано ранее, наращенный слой в точности повторяет кристаллическую структуру исходного материала.

Напыление — операция по созданию проводников и контактных площадок посредством осаждения в вакууме паров соответствующих материалов на поверхность кристалла через маску.

Ионное легирование — операция, заключающаяся в облучении полупроводниковой пластины ускоренными до необходимой скорости ионами примеси.

Подложка с совокупностью элементов и компонентов, изготовленных по описанным технологическим приемам и методам, должна быть конструктивно оформлена в целях защиты ее от воздействия окружающей среды. Для этого осуществляют герметизацию ИМС с помощью изоляционных материалов или с использованием методов вакуум-плотной герметизации. При герметизации изоляционными материалами кристалл полупроводниковой или подложку гибридной ИМС покрывают слоем лака или компаунда. При вакуум-плотной герметизации кристалл или подложку помещают в герметизированный корпус прямоугольной или круглой формы.

На рис. 8.1 в качестве примера показан общий вид конструкции ИМС с прямоугольным корпусом. Соединение ИМС с внешними выводами осуществляют золотыми или алюминиевыми проводниками.

Рис. 8.1. Конструкция интегральной микросхемы с прямоугольным

корпусом: 1 — основание; 2 — крышка; 3 — выводы

В зависимости от материала различают металлостеклянные, металлокерамические, керамические и пластмассовые корпуса. Металлостеклянный корпус состоит из металлической крышки 2 и стеклянного или металлического основания 1, снабженного выводами 3 через стеклянные изоляторы. Основание металлоке-рамического корпуса выполняют из керамики и соединяют с металлическим корпусом посредством заливки компаундом. Керамический корпус состоит из керамических крышки и основания, соединенных пайкой. Пластмассовый корпус получают посредством опрессовки кристалла или подложки в пластмассу, снабженную рамкой и выводами.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемыи их элементы
По своему функциональному назначению ИМС делятся на цифровые и аналоговые. Цифровые (логические) ИМС, принцип работы которых базируется на использовании аппарата математической логики, представляют собой устройства с несколькими входами т и выходами n, реализующие определенную логическую функцию

где — информационные значения входных сигналов, равные логической единице и логическому нулю; — информационные значения выходных сигналов, которые в зависимости от значений х, также могут принимать лишь значения логических единицы или нуля.

Для представления двоичных переменных в электронных устройствах используют электрические сигналы. Существует два способа представления: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе двум значениям истинности, равным единице или нулю, соответствуют два различных потенциала. Например, проводящее состояние диода соответствует логическому нулю, непроводящее — логической единице. При импульсном способе двум значениям истинности соответствует наличие или отсутствие импульсного сигнала в определенные моменты времени.

Среди наиболее часто встречающихся логических функций можно отметить логическое отрицание «НЕ», логическое сложение «ИЛИ», логическое умножение «И», используя сочетание которых можно реализовать логическую функцию любой сложности и, таким образом, создать сколь угодно сложное в функциональном отношении цифровое устройство. Именно поэтому цифровые ИМС являются базой для создания современных цифровых устройств обработки информации и, в первую очередь, ЭВМ последних поколений.

Аналоговые ИМС представляют собой устройства, которые обеспечивают почти пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. Аналоговые ИМС разделяются на информационные и силовые. Информационные ИМС осуществляют функции усиления, генерации, сравнения, модуляции, присущие информационной электронике, а силовые — функции преобразования параметров потока электрической энергии, присущие силовой электронике.

Среди аналоговых ИМС можно выделить интегральные усилители, разделяемые на три группы: с одним входом и одним выходом, с двумя входами и одним выходом и двумя входами и двумя выходами.

К первой группе относятся усилители постоянного или переменного напряжения и усилители мощности, которые обычно содержат двух- или трехкаскадный усилитель на биполярных или МДП-транзисторах.

Ко второй группе относятся операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока с очень большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, а также малым выходным сопротивлением.

К третьей группе усилителей относятся дифференциальные усилители постоянного тока, обеспечивающие усиление разности значений двух сигналов, подаваемых на входы относительно общей точки (земли). Выходные напряжения идеального симметричного дифференциального усилителя пропорциональны разности входных напряжений.

Наиболее сложными элементами полупроводниковых ИМС являются транзисторы. Наиболее часто применяют биполярные и полевые (с МОП-структурой) транзисторы, для формирования p-n-переходов которых используют, как правило, планарно-эпитаксиальную технологию.

В качестве диодов наиболее целесообразно по конструктивно-технологическим соображениям использовать биполярные транзисторы в диодном включении, т. е. один p-n-переход, когда база транзистора соединена с эмиттером или коллектором.

Для изготовления резисторов ИМС используют базовый или эмиттерный слои транзисторной структуры, при этом изоляция резистора от других элементов и подложки осуществляется с помощью одного или нескольких р—и-переходов, включенных встречно и соединенных последовательно. Сопротивление таких резисторов находится в диапазоне от 10 Ом до 50 кОм.

В качестве конденсаторов в полупроводниках ИМС используют емкости смещенных в обратном направлении p-n-переходов (барьерные емкости) биполярных транзисторов или емкости МОП-транзисторов, формируемые в изолированных друг от друга слоях полупроводника л-типа в едином технологическом процессе с другими транзисторными структурами. Недостатком таких конденсаторов является малая емкость (сотни пикофарад), обусловленная малыми размерами p-n-переходов.

Индуктивные элементы в ИМС используются крайне редко из-за весьма больших сложностей получения даже малых значений индуктивностей.

В гибридных ИМС в качестве подложки используют пластину из диэлектрического материала, на которой, например, посредством напыления через маски формируют пленочные резисторы, конденсаторы, дроссели, контактные площадки и проводники. Бескорпусные диоды, транзисторы, полупроводниковые микросхемы и другие элементы, которые не могут быть выполнены в виде пленок, присоединяются к контактным площадкам посредством пайки или микросварки.

Пленочные резисторы выполняют на основе чистых металлов, сплавов и микрокомпозиции. В качестве резистивных материалов на основе чистых металлов применяют хром или тантал. Резистивными материалами на основе сплавов являются нихром, а также нитриды, карбиды и силициды хрома, вольфрама и тантала. Микрокомпозиции по электрическим свойствам приближаются к сплавам металлов.

Нанесение тонких пленок на подложку производят с использованием различных технологических методов, позволяющих в сочетании с фотолитографией получить резисторы необходимой конфигурации и размеров. Пленочные резисторы имеют обычно прямоугольную или плоскую спиралеобразную форму. Сопротивление таких резисторов находится в диапазоне от 100 Ом до 50 кОм при номинальной мощности 0, 2 Вт.

Пленочный конденсатор имеет трехслойную (или многослойную) структуру, состоящую из металлических слоев (обкладок конденсатора) с диэлектрическим слоем между ними. Емкость пленочных конденсаторов может достигать нескольких десятков тысяч пикофарад при номинальном напряжении до 15 В.

Катушки индуктивностей выполняют в виде круглых и прямоугольных пленочных спиралей, они имеют индуктивности не более 10 мкГн. Поэтому в гибридных ИМС чаще применяют дискретные индуктивности в микроминиатюрном исполнении.

Объединение элементов и компонентов в гибридную ИМС осуществляют при помощи пленочных проводников и контактных площадок, для напыления которых наиболее пригодными материалами являются золото, серебро, медь и алюминий, используемые в сочетании с подслоями никеля, хрома и нихрома.

Крепление навесных компонентов к контактным площадкам осуществляется пайкой, ультразвуковой сваркой, лучом лазера (компоненты с жесткими выводами) или пайкой и клеем (компоненты с гибкими выводами).

Выпрямительные устройства.

Выпрямителем называют электронное устройство, обеспечивающее преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию пульсирующего (однонаправленного) тока с той или иной степенью приближения к постоянному.

В общем случае выпрямитель может быть представлен в виде блок-схемы, представленной на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Блок-схема выпрямителя:

/ — трансформатор; 2 — вентильный блок; 3 — фильтр; 4 — нагрузка; 5 и 6 — блоки управления, защиты и сигнализации

Трансформатор 1 предназначен для согласования величин входного и выходного напряжений выпрямителя, а также гальванического разделения питающей сети и нагрузки. В некоторых случаях на трансформатор возлагаются также функции регулирования выходного напряжения за счет изменения его коэффициента трансформации. Вентильный блок 2 через фильтр 3 осуществляет выпрямление переменного тока в цепи нагрузки 4. Если вентильный комплект выпрямителя выполнен на управляемых вентилях, то в структуру выпрямителя входит блок 5, включающий в себя устройство управления вентилями, обеспечивающее подачу на вентили управляющих сигналов в соответствии с заданным алгоритмом регулирования режимов работы выпрямителя. Для обеспечения нормальной эксплуатации выпрямителя и защиты его от повреждений в аварийных режимах в его структуру входит еще блок 6 защиты и сигнализации, а также встроенной диагностики.

В некоторых случаях отдельные элементы в выпрямителе могут отсутствовать, например, бестрансформаторные выпрямители или выпрямители без выходных фильтров (как правило, многофазные).

^ Выпрямители могут быть классифицированы последующим основным признакам:

- по числу фаз источника питания различают однофазные и многофазные выпрямители;

- по возможности регулирования величины выходного напряжения - неуправляемые и управляемые выпрямители;

- по структуре вентильного комплекта — мостовые и со средней точкой;

- по типу вентиля вентильного комплекта — диодные, транзисторные, тиристорные, комбинированнные (диодно-тиристорные).

Иногда выпрямители классифицируют по мощности и величине выходного напряжения, но эта классификация весьма условна. Обычно по мощности выделяют выпрямители малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой (свыше ста киловатт) мощности, а по напряжению — низкого (до 250 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжения.

Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора структуры вентильного комплекта, типа применяемых приборов и методов расчета параметров и характеристик выпрямителя и его элементов.

^ Характер нагрузки также может быть классификационным признаком, и в зависимости от этого различают выпрямители, работающие на активную, активно-индуктивную нагрузку и нагрузку, содержащую ЭДС.

При проектировании и разработке выпрямителей необходимо знать условия работы их элементов и определить их параметры.

Для точного определения характеристик и параметров выпрямителя и его элементов проводят детальный анализ электромагнитных процессов, происходящих в выпрямителе, выполнить который с учетом реальных параметров элементов выпрямителя крайне сложно. В то же время при принятии некоторых допущений, не искажающих физику происходящих процессов, но в определенной степени идеализирующих характеристики элементов выпрямителя, можно получить достаточно простые и наглядные расчетные соотношения, которые при необходимости можно уточнять, Такими уточнениями являются: трансформатор без потерь, вентили — идеальные ключи, направление источника — синусоидальное.

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока на примере простейшего однофазного однополупериодного идеализированного выпрямителя с принципиальной схемой, изображенной на рис. 9.2, а и состоящей из трансформатора Тр, диода VD и нагрузочного резистора .

К первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение питающей сети. Тогда в случае идеального трансформатора на его вторичной обмотке также будет синусоидальное напряжение.

При полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, указанной на рис. 8.5, а (интервал времени от 0 до л на рис. 9.2, б), к диоду приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора в прямом направлении и он находится в проводящем состоянии, а падение напряжения на нем практически равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке и по ней, вторичной обмотке трансформатора, и диоду протекает ток .

Рис. 9.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель: а — схема; б — диаграмма тока и напряжения на элементах схемы

На интервале времени от до напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет противоположную полярность, диод VD находится в непроводящем состоянии и к нему в обратном направлении прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в ней, во вторичной обмотке трансформатора и в диоде отсутствует. Далее процессы в выпрямителе повторяются.

Таким образом, к нагрузочному резистору прикладывается напряжение только одной полярности (выпрямленное напряжение) и по нему будет протекать ток только одного направления.

Среднее значение выпрямленного напряжения за указанный период

( 9.1 )

где — действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора; .

Поскольку при активной нагрузке ток в ней повторяет форму приложенного к нагрузке напряжения, то среднее значение выпрямленного тока

( 9.2 )

В настоящее время наиболее распространенным способом изменения величины выпрямленного напряжения является непосредственное воздействие на ключевые элементы вентильного комплекта, которые в этом случае должны быть управляемыми (например, тиристоры). Тогда, изменяя момент включения тиристора на интервале его проводящего состояния (изменяя угол регулирования ), можно изменять величину выпрямленного напряжения. Часто такой способ, называемый фазовым регулированием, сочетают с изменением коэффициента трансформатора (зонно-фазовое регулирование). В этом случае получают более высокие значения коэффициента мощности выпрямителя.

Однофазные выпрямители.

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется - один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток

Рис.4.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Работа схемы однополупериодного выпрямителя

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π ) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус - к катоду (рис.4.2). Диод открывается и пропускает ток от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора. Во время отрицательной полуволны(в интервале π ÷ 2π ) к аноду диода приложен минус, а к катоду - плюс. К диоду в это время прикладывается обратное напряжение, и он закрыт. На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.4.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е₂ соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова direct - прямой): R_d - сопротивление нагрузки; u_d - мгновенное значение выпрямленного напряжения; i_d - мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна:

e₂ = √ 2·E₂·sinΘ,

где Θ = ω t, E₂ - действующее значение ЭДС;

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U_d= 0, 45E₂

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

I_d=U_d/R_d

Для данной схемы выпрямителя среднее значение анодного тока вентиля I_аср = I_d.

Максимальное значение анодного тока:

i_amax = √ 2·E₂/R_d=I_d·π.

Максимальноезначение обратного напряжения на вентиле:

U_обр_max = √ 2·E₂=I_d·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Рассмотрим работу схемы однофазного однополупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.4.3).

Рис.4.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Источник: http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_25.gif

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_d и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.4.3) e_2a и e_2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R_d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду - плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 - закрыт ( для этого случая знаки указаны в скобках). В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 4.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

E_d=2√ 2·E₂/π; U_d=2√ 2·E₂/π; I_d=U_d/R_d;

i_amax=√ 2·E₂/R_d; I_aср=I_d/2; U_обрmax=2√ 2·E2; Kп=0, 66

Наиболее распространённой является двухполупериодная мостовая схема (рис.4.4).

Рис.4.4. Однофазный мостовой выпрямитель.

Источник: http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_26.gif

Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R_d, диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R_d, диод VD4

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒