Выпрямители

\р.л. конструкции\источники питания\...

Выпрямители

   В этой статье попробую показать некоторые нюансы разных выпрямителей, как однофазных, так и трёхфазных, показать их положительные и отрицательные стороны. Конкретные выпрямительные диоды или диодные мосты не буду анализировать, в настоящее время их много и они довольно хорошего качества. Статья может быть полезна при выборе схемы выпрямителя анодного напряжения передатчика.
   Несколько слов о выборе конденсаторов фильтра. Абсолютная величина пульсаций на выходе не зависит от выпрямленного напряжения, а только от тока, протекающего в нагрузке, частоты пульсаций и ёмкости конденсатора фильтра. При одинаковом токе как при выходном напряжении выпрямителя 500V, так и при 5kV абсолютная величина пульсаций будет одинакова. Но так как относительный коэффициент пульсаций k=U~/Uo при увеличении выходного напряжения Uo понижается, при высоком выходном напряжении можно применять конденсатор фильтра меньшей ёмкости, чем при низком.
   Внутреннее сопротивление постоянному току выпрямителя можно рассчитать по формуле r=DU/DI, где DU изменение напряжения выпрямителя при изменении тока нагрузки на DI. В трансформаторных выпрямителях их внутреннее сопротивление в основном зависит от мощности трансформатора, вернее сопротивления его обмоток, а также от схемы выпрямителя.
   Суть этой статьи провести анализ схем выпрямителей, показать их положительные и отрицательные стороны. В настоящее время не обязательно всё спаять и измерить с помощью приборов. Для этого можно использовать хороший помощник - компьютер. От этого результат ни сколько не пострадает, наоборот, можно всё показать довольно просто и наглядно. Я пользовался программой СМ2000.

Однофазные выпрямители

   На рисунке показано 8 разных схем. Все они нагружены на нагрузку, через которую течёт ток 1А независимо от выходного напряжения. Считаю, что такой способ корректный при проведении анализа выпрямителей, напряжение на выходе которых несколько отличается друг от друга. При анализе использовал данные самого мощного унифицированного трансформатора ТА288 (510W), который имеет по две вторичные обмотки на 200V и 355V, рассчитанные на максимальный ток 0,45А. Хотя трансформатор несколько перегружен, но это распространенный случай для любительских передатчиков и такой трансформатор при таком токе и непостоянной нагрузке может нормально работать. Соединив последовательно 200V и 355V обмотки, получаем две обмотки на напряжение 555V, амплитудное значение около 800V. Измеренное сопротивление так соединённых вторичных обмоток около 30W, первичной обмотки трансформатора около 1W. Для упрощения будем считать, что реактивные сопротивления обмоток и активное сопротивление первичной обмотки равны нулю, что на сравнения схем выпрямителей мало влияет. Для удобства сравнения напряжение источников переменного тока выбрано таким, чтоб такое напряжение (800V) и отдавали без нагрузки показанные однофазные выпрямители, если не указанно иначе. Вместо обмотки трансформатора использовал источники напряжения, которые программируются на амплитудное значение. Последовательно им включил резистор, имитирующий сопротивление вторичной обмотки трансформатора. Во всех схемах общая ёмкость конденсатора фильтра 100µF. На выходе каждой схемы включён вольтметр (DC AVG). Падение напряжения можно оценить, от 800V отняв его показания. Цветные квадратики с буквой около вольтметра по цвету показывает конкретную осциллограмму выходного напряжения, я этими буквами также буду называть конкретную схему. В осциллограммах можно посмотреть форму напряжения на выходах схем.


   В схеме А обе обмотки на 555V соединены параллельно, общее сопротивление получаем 15W. Выпрямитель диодный мост.
   В схеме В вторичная обмотка имеет отвод от середины, всё остальное как и в схеме А. В этом случае можно использовать и половинное напряжение, например, для питания экранной сетки.
   В схеме С обмотки соединены последовательно, для выпрямления используется два диода. Двухполупериодная схема выпрямления.
   В схеме D показана схема удвоения. Сопротивление обмотки в таком случае в два раза меньше потому, что она должна отдавать два раза меньшее напряжение, и ещё два раза, потому что для получения два раза большего тока площадь сечения провода должна быть в два раза больше. Итого 15/4=3,75W.
   В схемах Е - Н применяется умножение напряжения сети. Напряжение сети для сравнения подобрано так, чтоб выходное напряжение холостого хода умножителей соответствовало получаемых с трансформаторных выпрямителей (800V). Сопротивление сети выбрано 0,1W. Схема Е - удвоитель, F - утроитель, G и H учетверители напряжения, разница между ними только в номинале двух конденсаторах.
   Как видим в осциллограммах, при одинаковой общей ёмкости фильтра пульсации во всех схемах имеют частоту 100Hz и практически по амплитуде одинаковые. Исключение только удвоитель по схеме Е, который ведёт себя как однополупериодный выпрямитель, на его выходе присутствуют пульсации с частотой 50Hz с амплитудой в два раза больше остальных.
   Лучший результат по падению напряжения получаем от хорошо известного мостового выпрямителя по схемам А и В, как без вывода вторичной обмотки, так и с выводом. Падение напряжения в данном случае будет 87V (11%). Хуже работает выпрямитель с удвоением напряжения по схеме D. У него падение напряжения 111V (14%). Его можно применять, если трансформатор рассчитан на два раза меньшее напряжение, намотать много витков на высоковольтный трансформатор всегда сложнее, чем в два раза меньше и проводом, у которого площадь сечение в два раза больше. Ещё хуже работает двухполупериодная схема С, у которой падение напряжения 130V (16%). Такую схему можно применять только в низковольтных выпрямителях, где падение напряжения на выпрямительном диоде одного порядка с падением напряжения на обмотке трансформатора. Для высоковольтных выпрямителей плюсов такой схемы не вижу, лучше обмотки подключить параллельно и применить мостовой выпрямитель.

   Теперь про умножители напряжения сети. Они, как и все умножители, имеют большее падение напряжения, чем мостовые выпрямители. Но их прелесть в том, что не надо тяжёлого, громоздкого анодного трансформатора. Как уже писал, удвоитель по схеме Е имеет повышенную пульсацию, а также у него падение напряжения больше (124V, 15%) чем в схеме D, он имеет больше ёмкостей. Его в таком виде применять не стоит. Для удвоения лучше использовать схему D. Но если к нему добавить ещё один выпрямитель отрицательного напряжения, получим утроитель (F) или учетверитель (G, H). У утроителя при данных ёмкостях падение напряжения 132V (16,5%), у учетверителя зависимо от ёмкости конденсаторов С12 и С13 (С14, С15) в схеме G 179V (22%), в схеме Н 130V (16%). Как видно в осциллограммах, пульсации от номиналов конденсаторов С12 и С13 (С14, С15) не зависят, от них зависит только падение напряжения. Пульсации зависят только от ёмкости конденсаторов на выходе. Для уменьшения падения напряжения следует увеличивать ёмкость конденсаторов С8, С12, С13, но это увеличивает цену, габариты блока питания передатчика, а на уменьшение падение напряжения это влияет всё меньше. Считается, что оптимально тогда, когда их ёмкость в два раза больше фильтрующих конденсаторов. При подключении таких умножителей к реальной эл. сети 230V и нагрузив выходным током 1А, в схеме F падение напряжения получим около 135V (14%), в схеме G 185V (14,5%), в схеме H 136V (10,6%). После трансформатора такие умножители в мощных цепях включать не стоит, но можно применять для получения напряжения экранной или управляющей сеток.

   Интерес представляет ушестерение напряжения сети (рис. А и В). Выходное напряжение холостого хода схемы около 1,8kV.

   Схема содержит 14 шт. конденсаторов 470µFх400V (С5 состоит из двух последовательно включённых конденсаторов, С3 из четырёх последовательно - параллельно включённых конденсаторов, то же самое и для другого плеча). При токе 0,5А (рис. А) падение напряжения будет около 180V (10%), при токе 1А (рис. В) 335V (19%), что уже многовато. Таким выпрямителем можно питать, например ГУ-74Б. Увеличение мощности умножителя, как и коэффициента умножения, вряд ли целесообразно, так как резкое увеличение количества довольно дорогих конденсаторов сильно повышает цену и габариты выпрямителя.

   Блок питания можно делать и смешанным способом, т.е. часть напряжения получить путём умножением напряжения сети, а другую часть получить с трансформатора. На рисунке показана схема блока питания 2kV/1А, в которой применено учетверение напряжения сети и трансформатор ТА288. При токе 1А падение напряжения около 200V (10%), амплитуда пульсаций около 125V. Такой выпрямитель анодного напряжения я применяю в РА на 2хГУ-74Б.


   Следует иметь в виду, что в умножителях напряжения сети в схемах указанную точку заземления ни в коем случае нельзя подключать прямо к корпусу усилителя. Дело в том, что один провод эл. сети заземлён и, в случае подключения точки заземления к корпусу, корпус относительно земли будет иметь большое напряжения (300, 600 или 900 вольт). Катод лампы подключается к минусовой точке выпрямителя. Возбуждение на лампу надо подавать через ВЧ трансформатор. На выходе усилителя между лампой и П контуром обычно стоит развязывающий конденсатор, который функцию развязки и так выполняет.

Трёхфазные выпрямители

   Здесь схем немного, да и интерес, я думаю, по известным причинам, небольшой. Умножение напряжения сети вряд ли здесь целесообразно. Существует два типа включения вторичных обмоток трансформатора, звездой или треугольником, а выпрямитель обычно применяется так называемый трёхфазный мост. На выходе выпрямителя частота пульсаций в 6 раз больше частоты эл. сети, т.е. 300Hz. При такой частоте и общей ёмкости конденсатора фильтра 50µF независимо от выходного напряжения амплитуда пульсаций при токе через нагрузку 1А получаются около 35V, что очень мало. У трансформатора, включённого звездой, линейные напряжения больше фазных 1,73 раза, а линейный ток одинаковый с фазным. У трансформатора, включённого треугольником, линейные напряжения равны фазным, а линейный ток больше фазного 1,73 раза. Сказанное наглядно можно увидеть в картинке, где показаны совершенно одинаковые по мощности трансформаторы, но включённые по-разному. Выходное напряжение холостого хода в обеих схемах при данных напряжениях вторичной обмотки около 1,73kV. Для включения треугольником требуется в 1,73 раза больше витков, но сечение провода в 1,73 раза меньше. Итого сопротивление обмотки будет 1,73х1,73=3 раза больше.

   Но только на компьютере так красиво получается. Обычно фазные напряжения не бывают равные. Из-за этого увеличивается падение напряжения и пульсации. А в случае соединения вторичной обмотки трансформатора в треугольник, в обмотках появляется ещё и уравнивающий ток.

   В осциллограмме А видим ток обмотки при равных фазных напряжениях, а в осциллограмме В фазные напряжения отличаются на 5% (при 1kV это будет ±50V). Как видим, уравнивающий ток намного превышает значение тока обмотки при нагрузке 1А. Он не зависит от нагрузки, а только от разности питающий фазных напряжений, величины напряжений на вторичный обмотках и их сопротивлений. В виду этого такое включение вторичных обмоток нежелательно. Кстати, меня удивила величина этого тока, я знал про него, но не думал, что он может быть таким большим. Я никогда не интересовался этой проблемой, возможно, что-то в макетировании не учёл.

   Интересный вариант получается, если обмотки соединить звездой, а среднюю точку подключить к среднему выводу конденсаторов.

   Получаем как будто удвоитель напряжения с выходным напряжением холостого хода 2kV, на выходе которого получаем несколько большее напряжение, чем в раньше показанных схемах. Он имеет несколько большее падение напряжение, ток в обмотках распределяется иначе, чем в простом включении звездой, пульсации практически такие же самые.

   Интересная схема получается, если соединить последовательно или параллельно два выпрямителя, подключённых к одному трансформатору, но у которого одна из групп вторичных обмоток соединяется в звезду, другая - в треугольник. В результате системы вторичных напряжений сдвигаются по фазе относительно друг друга на 30°, в результате чего получаем 12 фазный выпрямитель.

   Частота пульсаций на выходе 600Hz. На выходе 3kV выпрямителя амплитуда пульсаций даже без фильтрующего конденсатора только 100V и мало зависит от тока нагрузки. Но чтобы это получить, обе обмотки трансформатора должны быть намотаны с учётом ранее приведённых коэффициентов, чтоб оба выпрямителя при любой нагрузке отдавали одинаковое напряжение, а фазные напряжения должны быть равные. В этой схеме одна вторичная обмотка соединена треугольником, а, значит, схема довольно критична к неравным фазным напряжениям.

   Существует и больше схем многофазных выпрямителей, но они требуют довольно сложной первичной обмотки и несколько трансформаторов. Для любительских целей вряд ли кому-нибудь они понадобятся.

О последовательном включении конденсаторов

   Бытует мнение, что если зашунтировать электролитические конденсаторы резисторами из учёта 50-100kW на 100V, проблем не будет. Но это верно только тогда, когда выпрямитель работает на холостом ходу и через конденсаторы течёт только ток утечки. Обычно этот ток небольшой, и резисторы способны его выравнять, т.е. распределить напряжение одинаково на каждый конденсатор. Но картина резко меняется, когда выпрямитель нагружается. Тогда через конденсаторы начинает течь зарядный - разрядный ток, значение которого на несколько порядков выше тока через уравнивающие резисторы. В осциллограмме показана форма тока, протекающего через конденсатор фильтра. Как видно, в данной схеме зарядный ток конденсатора в импульсе достигает 4А, а разрядный равен току, протекающему по нагрузке.

   В это время всё зависит только от ёмкости конденсаторов. Если ёмкости последовательно соединённых конденсаторов не равны, напряжение очень быстро распределяется между ними обратно пропорционально ёмкости. Чем меньше ёмкость конденсатора, тем больше на нём будет напряжение. Поэтому последовательно соединённые конденсаторы должны по возможности иметь одинаковую ёмкость. В рис. A показано как распределяется напряжение, когда конденсаторы не одинаковой емкости. Если конденсатор С3 рассчитан на напряжение 400V, он долго может не продержать, нагреется и взорвётся.
   Если есть возможность, лучше для мостового выпрямителя вторичную обмотку трансформатора намотать с выводом от середины, как показано в рис. B. При таком включении получается, что конденсаторы включены раздельно. В таком случае ёмкости и токи утечки конденсаторов на распределение напряжения между ними практически не влияют.

   Буду рад, если эта статья будет кому-нибудь полезна.

73  Vytas    LY3BG

Глас народа 30.07.2009 20:43 Уважаемый Vytas LY3BG, при малых нагрузках эдс ветви с наибольшей...  --  Андрей
27.03.2009 23:35 Мне нужны ещё информация об выпрямителя...  --  РИСБЕК
10.11.2008 15:31 мы вот с приятелем поспорили можит ли магнетрон тормозить игровые...  --  виктор
10.11.2008 15:28 мы вот с приятелем поспорили можит ли магнетрон тормозить игровые...  -- 
09.11.2008 22:48 А что Вас конкретно интересует? ...  --  Vytas LY3BG...
04.11.2008 14:16 Отличная статья. Хотелось бы подробнее о последовательном включе...  --  Станислав
05.07.2008 23:35 Андрей, я не понял, про какие нагрузочные характеристики Вы пишет...  --  Vytas LY3BG...
26.05.2008 16:02 Уважаемый Vytas LY3BG. В Вашей статье проделана большая работа, н...  -- 
26.05.2008 15:30 Из Вашего текста "по полученным результатам видно, что "три парал...  -- 
01.03.2008 13:20 Хочу сделать БП к Р-326 на 2,5в.Неподскажете,какая схема выпрямит...  --  roma
01.03.2008 10:35 Андрей, я проверил Ваше утверждение. Но по полученным результатам...  --  Vytas LY3BG...
26.02.2008 15:40 "Так называемый трёхфазный мост" (выпрямитель Ларионова) на самом...  -- 
10.10.2006 21:40 меня больше всего заинтересовало включение вторичной обмотки треу...  --  Лео
03.04.2006 08:06 Я применил мост 2W10, остальные диоды КД202Р. С5 - два последоват...  --  Vytas LY3BG...
02.04.2006 22:38 Vytas, меня заинтересовала Ваша схема комбинированного блока пита...  --  Ал-др RN1AJ...






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.