Временная диаграмма выходного напряжения

Временные диаграммы выходного напряжения диодного ключа

Диодный ключ это электронный ключ, в качестве коммутирующего элемента в котором используется диод.

В состав диодного ключа входят импульсный диод, сопротивление ограничения, дополнительный источник смещения.

Классификация диодных ключей.

1. По способу подключения диода и нагрузки.

последовательные диодные ключи;

параллельные диодные ключи.

Выходное напряжение будет пропорционально входному до тех пор, пока последнее не станет ниже некоторого уровня. После этого выходное напряжение остается постоянным, несмотря на изменение входного напряжения. В целом, принцип действия основан на свойстве диодов односторонней проводимости.

При рассмотрении принципа работы ВАХ диода можно аппроксимировать линейно-ломанной линией, т.е. заменяя диод активным сопротивлением. При прямом напряжении на диоде (когда p-n переход диода смещен в прямом направлении) сопротивление диода RVD пр будет варьироваться от десятков до сотен Ом (10-100 Ом). При подаче обратного напряжения на диод (когда p-n переход диода смещен в обратном направлении) его сопротивление RVD обр будет варьироваться от десятков до сотен кОм (10-100 кОм).

Чем RVD пр R и RVDпр >R. Отсюда следует, что Rвых=R. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:

При положительном знаке входного напряжения, т.е. U1>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления нагрузки ключа в целом, т.е. RVDпр >R, и на выходе напряжение будет отсутствовать (величина выходного напряжения равна произведению сопротивления нагрузки на ток обратно смещенного p-n перехода диода).

При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.

2. Параллельные диодные ключи.

Основным признаком таких схем является параллельное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.

В приведенной схеме сопротивление R служит для ограничения тока при открытом диоде VD.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках и переходных характеристиках.

Работа схемы основана на соблюдении равенства Rн>RVDпр и RVDпр >R. Отсюда следует, что Rвых=RVDпр. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:

При положительном знаке входного напряжения, т.е. U1>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления ключа в целом, т.е. RVDобр >R, и на выходе напряжение U2 будет равно напряжению U1 подаваемому на вход схемы параллельного диодного ключа.

Таким образом, все падение напряжения приходится на закрытый диод.

При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.

Таким образом, диодный ключ это электронный ключ, нелинейный элемент в которомдиод.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Диодные ключи

Электронные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В информационных маломощных устройствах их выполняют на полупроводниковых диодах, а также на биполярных и полевых транзисторах.

В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые ключи коммутируют напряжения или токи источника питания и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, другой – закрытому. Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжений. Причем характеристики измерительных устройств, в которых они используются, во многом зависят от качества передачи сигнала аналоговым ключом и помех в цепи, появляющихся при его коммутации.

Цепь с электронным ключом можно рассматривать как четырехполюсник, параметры которого существенно изменяются при достижении определенного уровня входным или управляющим сигналом.

Характеризуя свойства ЭК, вводят понятие околопороговой области. Под ней понимают те значения входного или управляющего сигнала, при которых сопротивление ЭК резко изменяется (рис. 1, а).

При анализе работы ключей и их практическом использовании необходимо знать следующие параметры: 1) быстродействие, характеризуемое временем переключения ключа; 2) пороговое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется; 3) чувствительность, под которой обычно понимают минимальный перепад сигнала, в результате действия которого происходит бесперебойное переключение ключа; 4) помехоустойчивость, характеризуемую чувствительностью электронного ключа к воздействиям импульсов помехи; 5) падение напряжения на ключе в открытом состоянии и токи утечек – в закрытом; 6) сопротивление ключа в открытом и закрытом состояниях.

Рис. 1. Диаграмма изменения сопротивления ЭК (а);

схема простого диодного ключа (б)

В диодных ЭК используют полупроводниковые диоды, имеющие барьерную емкость (0,5. 2 пФ) и высокое быстродействие. Широко применяются кремниевые, микросплавные и эпитаксиально-планарные структуры, а также арсенид-галлиевые диоды с барьером Шоттки. Статические характеристики ключевой цепи, показанной на рис. 1, б, полностью определяются вольт-амперной характеристикой диода (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика диода

В случае, приведенном на рис. 1, б, диод VD открыт, если напряжение между точками А и В превышает пороговое значение Unop. Для его нахождения проводят касательную к вольт-амперной характеристике на участке, где невелико изменение ее наклона. В качестве Unop берут напряжение в точке пересечения касательной с осью абсцисс. При прямом напряжении на диоде его статическое сопротивление существенно отличается от дифференциального, причем значение дифференциального сопротивления уменьшается при увеличении прямого тока.

Читайте также: Импульсный блок питания занижено выходное напряжение

В тех случаях, когда диодные ключи применяются для коммутации быстроизменяющихся сигналов, их характеристики отличаются от статических. Это связано с наличием переходных процессов накопления неосновных носителей заряда в базе и зависимостью напряжения на p-n-переходе от пространственного заряда и его распределения в области базы и p-n-перехода.

В связи с тем, что сопротивление базы диода зависит от времени и тока, протекающего через диод, а также вследствие наличия нелинейной барьерной емкости при отпирании и запирании диодного ключа наблюдаются переходные процессы. Их приходится учитывать при проектировании быстродействующих устройств.

Наличие достаточно большого заряда неосновных носителей, накапливаемых в базе при прямом смещении диода, приводит к тому, что после переключения полярности напряжения дырки базы, оказавшиеся у p-n-перехода, беспрепятственно проходят через него в p-область. Эмиттер из инжектора дырок превращается в собирателя их.

Рассасывание заряда, накопленного в базе, происходит за счет возвращения дырок в эмиттер и рекомбинации их в объеме базы. До тех пор пока концентрация неосновных носителей заряда у p-n-перехода превышает равновесную, он открыт и через него протекает ток, зависящий от величины напряжения.

При подключении диодного ключа к источнику напряжения ток через него устанавливается не сразу, а увеличивается с течением времени вследствие уменьшения сопротивления базы при накоплении в ней избыточного заряда.

Таким образом, при отпирании и запирании диодного ключа напряжения и токи в цепи устанавливаются не мгновенно, а в течение промежутка времени, значение которого зависит от параметров диода и его режимов работы.

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, операционный усилитель), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: “Включено” – “Выключено”. На рис.3.5., а – в приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа. При разомкнутом ключе i=0, uвых=E, при замкнутом ключе i=E/R, uвых=0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям “Включено” – “Выключено”, зависит от типа и параметров применяемых активных элементов и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивности цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

· падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u3;

· током через ключ в разомкнутом состоянии iр;

Рис. 3.5. Схема — а, временные диаграммы тока — б и выходное напряжение – в идеального ключа

· временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) tпер.

Чем меньше значения величин U, iр и tпер, тем выше качество ключа. Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды. На рис.3.6,а — приведена схема последовательного диодного ключа, а на рис.6,б – его

а б
Рис. 3.6. Схема — а и передаточная характеристика – б последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения.

передаточная характеристика. При положительном входном напряжении диод открыт и ток через него

Rпр – прямое сопротивление диода.

а б
Рис. 3.7. Схема — а и передаточные характеристики — б последовательного двоичного ключа с ненулевым уровнем включения.
а б
Рис. 3.10. Схема — а и характеристики режима работы — б ключа на биполярном транзисторе

Существуют такжеповторяющиеключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах, также как диодных ключей, определяется постоянной времени переходного процесса

Рис. 3.11. Диаграммы, поясняющие работу двустороннего ограничителя Рис. 3.12. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху
а) б
Рис. 3.13. Выделение импульсов с помощью ограничителей: а – по амплитуде, б – по полярности
а б
Рис. 3.14. Схема — а и диаграммы работы — б дифференцирующей цепи.

при включении и выключении р-n-переходов и зависит от их емкости и величины сопротивлений, определяемых технологиями производства элементов ключей. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. Для примера: на рис.3.11. приведена диаграмма поясняющая использования двойного диодного ключа рис.3.9. для преобразования сигналы близкие к прямоугольной форме; на рис.3.12. приведена диаграмма, поясняющая использование параллельного ключа рис.3.8. для сглаживания вершины импульса; на рис.3.13 а и б приведены диаграммы, поясняющие использования ключей для выделения сигналов по амплитуде и полярности. В импульсной технике для формирования импульсов совместно с электронными ключами широко используют дифференцирующие и интегрирующие RC–цепи. Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующая цепь – рис.14 а, использование которой преобразует импульс большой длительности в короткие импульсы рис.3.14 б, позволяющие ускорить запуск работы импульсных устройств.

Читайте также: Внутренние напряжения в металле при ковке

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» — «Выключено». На рис. 10.7, а—в приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа.

Рис. 10.7. Схема (а), временные диаграммы тока (б) и выходного напряжения (в) идеального ключа

При разомкнутом ключе i = 0, а uвых = Е, при замкнутом ключе i = E/R, uвых = 0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно ве­лико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «Включено» — «Выключено», зависят от типа и параметров применяемых активных элементов, и пе­реход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в те­чение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными парамет­рами:

падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии uз;

током через ключ в разомкнутом состоянии i p;

временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) tпер.

Чем меньше величины uз, i p и tпер, тем выше качество ключа, по­скольку при этом уменьшается его мощность рассеяния (а следова­тельно, нагрев) и повышается быстродействие.

Простейший тип электронных ключей — диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды. На рис. 10.8, а приведена схема последовательного диодного ключа, а на рис. 10.8, б — его передаточная характеристика.

Рис. 10.8. Схема (а) и передаточная характеристика (б) последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения

При положитель­ном входном напряжении диод от­крыт, и ток через него

где Rпр — прямое сопротивление диода.

Обычно Rпр « R, тогда uвыхuвх. При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод

где Rобр — обратное сопротивление диода. При этом выходное напряжение

Рис. 10.11. Схема (а) и передаточные характеристики (б) параллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

Комбинацией двух диодных ключей можно получить двойной диодный ключ (рис. 10.12, а), который передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями включения первого (Uвх1) и второго (Uвх2) ключей (рис. 10.12, б)

Рис. 10.12. Схема (а) и передаточная характеристика (б) двойного диодного ключа

Время переключения диодных ключей tпер, определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей диодов (емкости р-n-перехода) и емкости монтажа, а также от времени выключения диода tвыкл, которое определяется временем рекомбинации носителей заряда.

Для повышения быстродействия ключей применяют малоинерционные диоды. Так, в обычных диодах tвыкл > 0,5 мкс, а в диффузионных диодах tвыкл 0,05 мкс.

Диодные ключи не позволяют разделить управляющую и управляе­мую цепь, что часто требуется на практике. В этих случаях используют транзисторные ключи. На рис. 10.13, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе.

Рис, 10.13. Схема (а) и характеристики режима работы (б) ключа на биполярном транзисторе

Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Однако тран­зистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние

определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсеч­ки. В режиме отсечки ток базы Iб = 0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк = Uк1Ек (рис. 10.13, б). Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе состояние определяется точкой А2 и называется режимом насыщения. Он реализуется при по­ложительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в ос­новном сопротивлением Rб и равен Iб = Uвх / Rб, поскольку сопро­тивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный пере­ход также открыт, и ток коллектора Iк2 = Ек/Rк, а коллекторное напряжение Uк2 0. Из режима отсечки в режим насыщения транзис­тор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соот­ветствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения, ста­бильны и почти не зависят от температуры.

Существуют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного на­пряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-п-переходов и процессами накопле­ния и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повыше­ния быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Читайте также: Напряжение заряда кальциевых акб

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования и м п у л ь с о в. К простейшим и наиболее распространен­ным устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронных ключей. Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изме­няется, если входное напряжение превышает эти уровни. В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи.

Для ограничения сверху применяют последовательные или параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме отсечки или только в режиме насыщения.

Рис. 10.14. Диаграммы, поясняющие работу ограничителя сверху

На рис. 10.14 показано ограничение синусоидального напряжения сверху с помощью схемы параллельного диодного ключа (см. рис. 10.11, а). Уровень огра­ничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двустороннего ограничения используют двой­ные ключи.

На рис. 10.15 показано двустороннее ограничение синусои­дального напряжения с помощью двойного диодного ключа (см. рис. 10.12, а).

Рис. 10.15. Диаграммы, поясняющие работу двустороннего ограничителя

Часто в качестве ограничителей используют устройства (рис. 10.16, a) с кремниевыми стабилитронами, аналогичные стабилиза­торам напряжения.

Рис. 10.16. Схема (а) и характеристика режима работы (б)

ограничителя на полупроводниковом стабилитроне

Используя вольт-амперную характеристику ста­билитрона (см. рис. 2.12), можно построить передаточную характерис­тику ограничителя на стабилитроне (рис. 10.16, б). Этот ограничитель дает двустороннее ограничение. Уровень ограничения сверху Е01 ра­вен напряжению стабилизации Uст, а уровень ограничения снизу Е02 [Е02= (0,7 — 0,8) Uпр] определяется прямой ветвью вольт-ам­перной характеристики стабилитрона. Для изменения уровня ограни­чения сверху требуется стабилитрон другого типа с иным значением Uст, а для повышения уровня ограничения снизу можно использовать последовательное включение стабилитронов (рис. 10.17, а).

Рис. 10.17. Схема (а) и характеристика ре­жима работы (б) двустороннего

огра­ничителя на кремние­вых стабилитронах

В. этом случае уровни ограничения Е01 и Е02 (рис. 10.17, б) равны соответственно:

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму ста­билитронам.

Преимущество ограничителей на стабилитронах заключается в том, что они не нуждаются в источниках напряжения смещения; недостат­ками являются неудобство изменения уровня ограничения и значитель­ная инерционность, определяемая большой барьерной емкостью р-п-перехода стабилитронов (80—150 пФ). Поэтому ограничители на стаби­литронах обычно используют в низкочастотных устройствах.

С помощью ограничителя легко сформировать трапецеидальное напряжение из синусоидального (см. рис. 10.15). Если амплитуда входного напряжения значительно больше уровня ограничения (Uвхm >> Ес), то можно получить выходное напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам.

Другое применение ограничителей — сглаживание вершин импульсов, искаженных помехой или определяемых условиями формирования (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху

Обширная область применения ограничителей — устройства амплитудной селекции (выделения). Амплитудным селекто­ром называют устройство, предназначенное для выделения импуль­сов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня (уровня селекции), или импульсов, амплитуда которых находится в за­данных пределах. Рис. 10.19, а поясняет применение последователь­ного диодного ограничителя (рис. 10.9, а (стр. 6) для селекции импульсов, превышающих уровень Е . При нулевом уровне ограничения (Е = 0) можно выделять импульсы но полярности (рис. 10.19 б).

Рис. 10.19. Выделение импульсов с помощью ограничителей:

а — по амплитуде; б — по полярности

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие це­пи — линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного на­пряжения по времени:

где k — коэффициент пропорциональности.

Рис. 10.20. Схема (а) и диаграммы работы (б) дифференцирующей цепи

На рис. 10.20, а, б приведены схемы про­стейшей дифференцирующей -цепи и диаграммы, поясняющие ее работу при воздей­ствии прямоугольного импульса напряжения. В момент времени t1 напряжение на конденсаторе равно нулю, следовательно, в момент времени t + 1 (сразу после положительно­го перепада входного напряжения uвх) вы­ходное напряжение uвых (t + 1) = Uвхm. Затем конденсатор заряжается по экспоненте:

а выходное напряжение спадает по экспоненте:

Переходные процессы можно считать закончившимися при t = 3RC, поэтому при tи = (t2t1) >> 3RC на выходе появляется экс­поненциальный положительный импульс. В момент времени t2 (отри­цательный перепад напряжения uвх) процессы аналогичны и на выхо­де появляется отрицательный импульс. Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени цепи τ = RC. Можно показать, что при этом повышается и точность диф­ференцирования входного напряжения.

Интегрирующие цепи — четырехполюсники, у кото­рых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения — применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Схема интегрирующей цепи отли­чается от схемы рис. 10.20, а тем, что конденсатор С и резистор R меняются местами [19].

Дата добавления: 2016-04-02 ; просмотров: 4021 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

  • Напряжение
  • Реле
  • Трансформатор
  • Что такое рекуперация на электровозе
  • Чем отличается электровоз от тепловоза
  • Чем глушитель отличается от резонатора
  • Стойки стабилизатора как определить неисправность
  • Стабилизатор поперечной устойчивости как работает

Временная диаграмма выходного напряжения

Формула

Выпрямители

Назначение выпрямителя

Выпрямители используются для превращения переменного напряжения в постоянное. Их схемотехника состоит в том, чтобы направить входной переменный ток таким образом, чтобы через выходную нагрузку он протекал только в одном направлении. Выпрямители бывают пассивные и активные. В пассивных выпрямителях используются приборы с односторонней проводимостью – диоды. В активных выпрямителях используются электронные коммутационные элементы (MOSFET, IGBT, биполярные), включаемые по определенному алгоритму с синхронизацией с полярностью входного напряжения. Поэтому они часто называются синхронными выпрямителями.

Часто выпрямитель устанавливается сразу после трансформатора. Это справедливо как для низкочастотных, так и для высокочастотных схем. Поэтому схемотехника выпрямителей будет представлена в связке с трансформатором и пока только с резистивной нагрузкой.

Однополупериодный выпрямитель

Самая простая схема выпрямления (рисунок RECT.1). Всего один диод. В течение положительной полуволны диод открыт и напряжение прикладывается к нагрузке. Соответственно через нагрузку течет ток. Во время отрицательной полуволны диод закрыт, и ток через нагрузку не протекает. В результате максимальная амплитуда напряжения на нагрузке VR меньше амплитуды входного переменного напряжения VA на величину VF – прямого падения напряжения на диоде:

Формула

Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн (рисунок RECT.2) чередующихся паузами длительностью полпериода. Трансформатор нагружен только в периоды прямой проводимости диода. Максимальное напряжение на диоде равно удвоенному входному максимальному напряжению 2VA.

— только один диод, минимальная сложность схемы, минимальная стоимость выпрямления;

— высокие пульсации напряжения в нагрузке;

— подмагничивание сердечника трансформатора, неравномерная нагрузка на сеть (относится к низкочастотным трансформаторам, и импульсным двухтактным схемам) вследствие того, что мощность потребляется только в течение половины периода.

— в обратноходовых и прямоходовых однотактных преобразователях;

— в дополнительных цепях питания, имеющих существенном меньшую нагрузку по сравнению с основной.

Мостовой выпрямитель

Наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления (рисунок RECT.3).Четыре диода, включенные таким образом, что работают попеременно. В течение положительного полупериода ток проводят диоды VD2 и VD3, в течение отрицательного – VD1 и VD4. Таким образом, мостовой выпрямитель обеспечивает подключение нагрузки к источнику в течение всего периода переменного напряжения. Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн, следующих друг за другом (рисунок RECT.4). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину 2VF – сумму падения напряжения на диодах, поскольку в мостовой схеме ток проходит через два диода:

Формула

Именно поэтому применение мостовой схемы нецелесообразно при низких входных напряжениях (менее 12-15 В) поскольку «все упадет» на диодах.

Максимальное напряжение на диодах равно единичному входному максимальному напряжению VA.

— малые пульсации напряжения в нагрузке;

— обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

— нет необходимости в использовании хитрого трансформатора со средней точкой.

— четыре диода, определенная сложность схемы,

— высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

— в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей при высоком выходном напряжении (более 15 В);

— в схемах с низкочастотным трансформатором;

— во входной цепи преобразователей с бестрансформаторным входом;

— в дополнительных цепях питания.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора

Основная схема выпрямления для малых выходных напряжений (12 В и менее). Особенность схемы состоит в использовании фактически двух выходных обмоток трансформатора, соединённых вместе так, чтобы напряжение на выводах обмоток относительно общей точки было противоположно по фазе (рисунок RECT.5). При этом в течение одного полупериода «работает» обмотка «1» с диодом VD1, а в другом полупериоде «работает» обмотка «2» с диодом VD2. При этом «полусинусоиды» поочередно складываются в результирующее напряжение на нагрузке, имеющее форму полуволн следующих друг за другом, как в мостовом преобразователе (рисунок RECT.6). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину VF – прямого падения напряжения на диоде:

Формула

В некотором роде этот выпрямитель представляет собой два однополупериодных выпрямителя включенных параллельно друг другу, но питающихся от обмоток находящихся в противофазе. Максимальное напряжение на диодах равно удвоенному входному максимальному напряжению 2VA.

— малые пульсации напряжения в нагрузке;

— обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

— всего два диода, меньше в двухполупериодных схемах не бывает;

— высокая энергетическая эффективность, в том числе при малых выходных напряжениях.

— использование хитрого трансформатора с отводом от средней точки или соединенных двух обмоток, кроме этого габаритная мощность трансформатора должна быть выше по сравнению с мостовой схемой;

— два диода, сравнительная сложность схемы подключения вследствие необходимости соблюдать фазировку обмоток трансформатора;

— высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

— в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей, в том числе при низком выходном напряжении (более 15 В);

— в схемах с низкочастотным трансформатором;

— в сильноточных и низковольтных цепях.

В реальности амплитуды напряжений обмоток (и их мощности) могут несколько отличаться друг от друга. Это необходимо контролировать экспериментально.

Работа выпрямителей совместно с конденсатором фильтра

Как правило, выпрямители работают в связке с конденсатором фильтра выполняющим функцию буферного накопителя энергии и сглаживающим пульсации напряжения. Эта схема включения выпрямителей имеет свои особенности. Об этом ниже.

Однополупериодный выпрямитель с конденсатором фильтра

Каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на два интервала (рисунок RECT.8):

I – в течение первого интервала когда напряжение источника превышает текущее значение напряжения на конденсаторе, диод находится в прямом смещении и проводит ток который подзаряжает конденсатор фильтра.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на только что подзаряженном конденсаторе фильтра, при этом к диоду приложено обратное напряжение и он не проводит ток. В этом интервале напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки. Величина обратного напряжения приложенного к диоду складывается из напряжения на конденсаторе VC и напряжения источника (обратная полуволна). Таким образом, в точке максимума к диоду фактически прикладывается удвоенное напряжение источника.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит только один раз в течение всего периода. К диоду прикладывается удвоенное напряжение питания выпрямителя.

Мостовой выпрямитель с конденсатором фильтра

В данном случае каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.10):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения источника (положительная полуволна) превышает напряжение на конденсаторе, диоды VD2, VD3 в открыты прямом смещении и ток источника подзаряжает конденсатор фильтра. При этом к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение равное VA (которое в этот период достигает своего максимума):

Формула Формула

VF – прямого падения напряжения на диоде.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

Формула Формула

Напряжение на фильтрующем конденсаторе VC плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала в момент когда напряжение отрицательной полуволны превышает напряжение на конденсаторе, другая пара диодов VD1, VD4 открывается и снова подзаряжается конденсатор фильтра. При этом уже к другой паре диодов VD2, VD3 прикладывается обратное напряжение равное VA (которое в этот период достигает своего максимума).

Формула Формула

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

Формула Формула

В течение интервала напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно амплитуде напряжения питания выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой с конденсатором фильтра

Аналогично мостовому выпрямителю каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.12):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения VA1 верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD1 в открыт и к конденсатор фильтра подзаряжается. При этом диоду VD2 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора VA2 (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе VC:

Рисунок-схема Рисунок-схема

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение на верхней обмотке становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра CF к диоду VD1 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

Формула Формула

В течение интервала напряжение на конденсаторе фильтра плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала аналогично интервалу I когда текущее значение напряжения VA2 верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD2открывается и конденсатор фильтра подзаряжается. К диоду VD1 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора VA1 (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе VC:

Формула Формула

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение на нижней обмотке VA2 становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диоду VD2 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

Формула Формула

В течение интервала напряжение на конденсаторе фильтра плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно удвоенной амплитуде напряжения на обмотке VA1, VA2.

Расчет емкости конденсатора при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Напряжение на входе и выходе мостового выпрямителя имеет вид, представленный на рисунке RECT.13 [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. М.: Радио и Связь, 1987. 160 с.]. Там же представлены формы импульсов тока через диоды и тока нагрузки.

Видно, что энергия, запасаемая в конденсаторе фильтра передается в нагрузку в течение времени:

Формула

θ – угол в радианах (часть периода) в течение которого осуществляется заряд конденсатора.

Количество переданной энергии равно:

Формула

P – мощность, потребляемая нагрузкой.

С другой стороны, количество переданной энергии также равно:

Формула

VC_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔVС – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

Cf – емкость конденсатора фильтра.

Приравнивая эти выражения для количества переданной энергии получим:

Формула

Формула

То можно выразить емкость конденсатора, обеспечивающую заданный уровень пульсаций:

Формула

или в другом виде:

Формула

При малом уровне пульсаций можно полагать, что:

Формула

Iload_rms – среднеквадратичное значение тока нагрузки;

Vout_ rms – среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке.

Формула

Или сокращая множители в числителе и знаменателе получаем выражения для расчета емкости конденсатора фильтра Сf обеспечивающий заданный уровень пульсаций ΔVС (при условии синусоидальной форме напряжения):

Формула

VC_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔVС – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

Iload_rms – действующее (среднеквадратичное) значение тока нагрузки;

Здесь максимальное напряжение на конденсаторе фильтра VC_max меньше амплитуды входного переменного напряжения VA на величину падения напряжения на выпрямителе Vrect:

Формула

Соотношения для расчета емкости конденсатора для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.

Расчет амплитуды импульсов тока при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Оценим амплитуду импульсов тока через диоды мостового выпрямителя.

Длительность импульса тока Δtθ составляет:

Формула Формула

Принимаем, что амплитуда пульсаций тока незначительна и ток через нагрузку можем считать постоянным и равным среднему току нагрузки Iload_avg, тогда заряд, протекающий через нагрузку в течение половины периода равен:

Формула

Форма импульсов тока через выпрямительные диоды хорошо аппроксимируется треугольником с высотой равной амплитудному значению тока IVD_max и шириной основания равной длительности Δtθ . Тогда заряд, протекающий через диоды за полупериод равен:

Формула

Из равенства электрического заряда проходящего через диоды полумоста QVD и заряда проходящего через нагрузку Qload в течение полупериода следует соотношение:

Формула

Откуда следует выражение для определения амплитуды импульсов тока:

Формула

Подставляя в которое выражение для длительности импульса тока Δtθ получаем:

Формула Формула Формула

VC_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔVС – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

Iload_avg – среднее значение тока нагрузки;

Расчет по данным соотношениям имеет погрешность порядка 20-30 % (но в большую сторону, то есть с запасом).

Соотношения для расчета пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.

Векторная диаграмма токов и напряжений

Процессы, протекающие в электроцепи переменного тока с активным сопротивлением и реактивной индуктивностью, можно наглядно выразить в графическом виде.

Векторная диаграмма

Статья даст описание, что такое векторные диаграммы, где и для чего они используются. Также будет описана временная диаграмма и ее назначение. В конце будет дан пример построения простой диаграммы для электроцепи с последовательным соединением элементов.

Определение

Векторная диаграмма токов и напряжений — это геометрическое изображение всех процессов, величин и амплитуд синусоидального тока. Все имеющиеся величины располагаются на плоскости в виде векторов.

Построение векторной диаграммы использует физика и электротехника. Благодаря созданию такой диаграммы можно значительно упростить выполняемые расчеты, а так же в наглядном и доступном виде отобразить происходящие процессы.

Метод векторных диаграмм позволяет также увидеть в цепи переменного тока возникающие короткие и межфазовые замыкания, а также вычислить возможные потери мощности.

векторная и временная диаграмма

Обычно такая диаграмма строится вместе с временной. Временная диаграмма — это графическое изображение входа и выхода в электрической цепи. Временные диаграммы помогают определить временной промежуток между началом, протеканием и окончанием сигнала. Например, при нажатии на кнопку возникает сигнал, который поступает к приемнику и запускает процесс его работы.

Временные диаграммы также применимы к синусоидальной электрической цепи, так как этот ток имеет начальную точку отсчета (включение питания) и время движения от источника тока к потребителю. Такие диаграммы представляют собой график, на котором изображается начальная точка отсчета, вектор времени и углы смещения фаз.

Разновидности

Разобравшись, что такое и для чего применяется векторная диаграмма, нужно узнать какие разновидности построения существуют. Они отличаются по характеру построения и типу. По характеру бывают:

  1. Точными. Векторная точная диаграмма — это отображение выполненного численного расчета в соответствующем масштабе. С помощью нее определяют параметры фаз и амплитудные значения строго геометрическим способом.
  2. Качественные. Такие гистограммы строят для наблюдения взаимосвязи между электровеличинами без использования числовых характеристик. Такой способ позволяет экспериментировать с различными параметрами и моделировать процессы в электроцепях.

Векторную диаграмму токов можно построить 2 разными способами:

Круговая диаграмма

  1. Круговым. В ее принципе лежит вектор, который описывает изменение характеристик путем образования круга или полукруга на плоскости. При таком варианте учитывается направление движения с учетом направления положения вектора.
  2. Линейным. Такой векторной диаграмме при изменении характеристик направление изменяется строго прямолинейно.

Линейная диаграмма

Оба построения могут использоваться для расчета характеристик переменного тока в цепи с сопротивлением и индуктивностью.

Построение

Построение простых векторных диаграмм будет рассмотрено в данном разделе. Для примера можно взять простую цепь с несколькими элементами и их значениями. Такая схема подразумевает последовательное соединение элементов между собой. Цепь состоит из катушки индуктивности, конденсатора и активного сопротивления. Параметры каждого элемента цепи приведены ниже.

  1. Катушка индуктивности UL с напряжением 15 вольт. Ток в индуктивном сопротивлении имеет сдвиг фазы 90°.
  2. Конденсатор UC с напряжением 20 вольт и опережением на 90 градусов.
  3. Напряжение резистора UR 10 вольт, его направление совпадает с током I.
  4. Сила тока в цепи I равняется 3 ампера.

Далее можно сделать простую диаграмму, которая поможет определить напряжение для всей схемы.

  1. Отложить на плоскости I в виде горизонтальной линии с масштабом 1 A/см (масштаб может быть любым, главное — выполнять все элементы диаграммы одного типа в одном масштабе). Сам ток равен 3 ампера, поэтому его длина будет равна 3 см.Откладываем вектор тока I
  2. Теперь необходимо отложить вертикальный вектор UL в масштабе 5 В/см. Он отображает напряжение катушки индуктивности и равен 15 вольт. Его длина на плоскости составит в данном масштабе так же 3 см.Откладываем вектор катушки UL
  3. Далее нужно графически обозначить вектор напряжения активного сопротивления. Его точка отсчета располагается на окончании вертикального вектора UL. Для принятого масштаба 5 В/см ему соответствует вектор длиной 2 см. Линия должна быть строго параллельна горизонтальному вектору I.Откладываем вектор резистора UR
  4. Теперь нужно отобразить на данной диаграмме напряжение конденсатора UC. Его началом будет конечная точка вектора UR, а конец данного вектора будет расположен ниже горизонтального вектора I. В масштабе 5 В/см ему соответствует вектор длиной 4 см.Откладываем вектор конденсатора UC
  5. Чтобы определить соответствующее такой схеме общение напряжение U надо будет сделать следующее. Начало вектора расположено в принятой точке отсчета, а конец его будет расположен в конечной точке вектора UC.

Получаем общее напряжение U

Поэтому если есть схема с последовательным соединением элементов, то всегда можно довольно просто построить векторную диаграмму и рассчитать общее напряжение для такой схемы.

Способ 2

Построение векторных диаграмм с учетом всех известных значений для цепи переменного тока с последовательным соединением конденсатора, резистора и катушки индуктивности. При таком построении нам так же известно напряжение самой цепи. Цепь состоит из:

  • Резистора UR;
  • Конденсатора UC;
  • Катушки UL.
  1. На плоскости Im откладывается вектор UR (резистор). Его направление точно совпадает с током, поэтому это будет горизонтальная линия.Вектор UR
  2. От точки отсчета откладывается вниз вектор UC (конденсатор). Вектор откладывается под углом 90 градусов вниз, так как он имеет указанное ранее опережение 90°.Вектор UС
  3. От этой же точки отсчета откладывается вектор UL (катушка индуктивности). Ее значение откладывается ровно на 90 градусов вертикально, так как есть сдвиг фазы на 90 градусов.

Общая диаграмма

Данная диаграмма может использоваться для контроля и расчета влияния всех известных параметров цепи и элементов, а также их взаимосвязи между собой.

  1. Показать результат сложения вектора UL и UC.Сложение двух значений
  2. При увеличении величины сопротивления определить разницу между напряжением и сопротивлением можно, используя новый вектор Um.Увеличение сопротивления
  3. Кроме того можно определить угол сдвига фазы φ в цепи.

Сдвиг фазы

Основное преимущество векторной диаграммы заключается в следующем — простое и быстрое сложение, вычитание двух параметров во время расчета электрических цепей.

Понятие о векторах и векторных диаграммах также подразумевает расчет цепи питания трехфазной сети, подключенной по методу звезды. Она строится с учетом сразу 3 отложенных векторов от 0 оси ординат. Такое построение определяет вектор от источника тока к приемнику. Строится вектор со следующими значениями:

  1. На оси ОХ откладываются настоящие значения величин, а на оси OY мнимые значения.
  2. Угловая величина обозначается как W.
  3. Также присутствует сам вектор Im и угол сдвига фаз φ.

Далее нужно сделать:

  1. На плоскости выбрать точку отсчета.
  2. От нее отложить вектор Im, учитывая угол сдвига фаз равный 90°.
  3. Длина вектора Im равна значению его напряжения и откладывается в выбранном масштабе.

Вектор трехфазной цепи

Таким же образом на плоскость накладываются еще две прямые линии. Общая диаграмма покажет симметричность фаз или их сдвиг при появлении короткого замыкания. Такая диаграмма может стать примером для расчета напряжения, тока или нагрузки на каждую фазу с моделированием различных параметров.

Заключение

Векторные диаграммы сложны в понимании при расчете сложных цепей, с большим количеством сопротивлений и индуктивностью. Также, при расчете стоит учитывать тип соединения всех элементов, симметрию цепи и основные ее значения.

Видео по теме