Двухтактные схемы выпрямителей

Недостатком однотактных схем выпрямителей является плохое использование трансформаторов, у которых ток во вторичной обмотке протекает не непрерывно, а только во время положительных полупериодов напряжения в однофаз­ных выпрямителях и в течение одной трети каждого, периода в трехфазных выпрямителях.

В двухтактных схемах вы­прямителей этот недостаток устранен; ток через вторичную обмотку трансформатора про­ходит в обоих направлениях.

Однофазный двухтактный выпрямитель. Этот выпрями­тель собран по мостовой схеме (схема Греца), показанной на рис. 5. Он является простейшей схемой двухтактного выпрямителя.

В течение первых полупе­риодов ток проходит через вентили 1 и 3 (рис. 5, сплош­ные стрелки), а в течение вторых полупериодов — через вен­тили 2 и 4 (штриховые стрелки). Через нагрузочное сопро­тивление R_н ток течет в одном направлении. Во вторичной обмотке трансформатора

при этом течет переменный ток, поэтому схема является двухтактной.

Среднее значение выпрямленного напряжения

(19)

т. е. оно такое же, как и в однотактном двухполупериодном выпрямителе, причем полное напряжение вторичной обмот­ки трансформатора здесь в два раза меньше, чем в однотакт­ном двухполупериодном выпрямителе.

Обратное напряжение в мостовой схеме определяется напряжением U_2max, так как вентили, не пропускающие в данный полупериод ток, включены параллельно вторич­ной обмотке трансформатора (падением напряжения на пропускающих ток вентилях можно пренебречь). Поэтому

(20)

Сравнительно небольшое обратное напряжение является достоинством мостовой схемы.

Если обратное напряжение одного вентиля U_1обр мень­ше напряжения U_oбp, найденного по формуле (20), то в каждое плечо мостовой схемы следует включить последо­вательно по нескольку вентилей, соблюдая условие где n — число вентилей в плече.

Недостатком мостовой схемы является необходимость применения четырех вентилей или групп вентилей, причем в случае применения в качестве вентилей кенотронов или газотронов, схема требует трех независимых друг от друга обмоток накала (рис. 5. 6), так как цепи накала кено­тронов 1, 3 и 4 находятся под разными потенциалами. По­этому обычно в мостовой схеме применяют полупроводнико­вые вентили. Преимущества мостовой схемы — применение трансформатора без вывода средней точки вторичной обмот­ки и лучшее использование вторичной обмотки трансфор­матора. Схема может работать и без силового трансформа­тора.

Рис. 6. Кенотронный выпрямитель по мостовой схеме

Пример 2.В выпрямителе, собранном по мостовой схеме Греца, применяются четыре германиевых вентиля типа Д7Ж, имеющих U_обр = 400 в. Определить максимально допустимое значение выпрям­ленного напряжения U_o и необходимое для этого значение вторич­ного напряжения U₂ трансформатора.

Решение. В мостовой схеме U_обр⁼ l,57U₀. Тогда

Вторичное напряжение трансформатора связано с U_o соотноше­нием: .Следовательно,

Трехфазный двухтактный выпрямитель. Трехфазная двухтактная схема Ларионова (рис. 7, а) состоит как бы из трех простых мостовых схем: в первую схему входят

Рис. 7. Трехфазный двухтактный выпрямитель по схеме Ларионова

вентили 1, 2, 3, 4, во вторую — 1,2,5, 6 и втретью — 3, 4, 5, 6. Все вентили в схеме Ларионова работают попарно — поочередно, причем из нечетных вентилей, потенциалы ано­дов которых одинаковы, работает тот вентиль, у которого катод наиболее отрицателен, а из четных — тот вентиль, который имеет наиболее положительный потенциал анода. Прохождение тока через вентили показано на рис. 7, б. Ток проходит через ту пару вентилей, разность потенциалов между которыми в данный момент времени максимальна.

Смена пар вентилей происходит через каждые , т. е. через каждые 60 электрических градусов.

В этом выпрямителе выпрямленное напряжение

U₀=2,34U₂, (21)

где U₂ — линейное напряжение вторичной обмотки II трансформатора. Следовательно, при одном и том же вы­прямленном напряжении, вторичное напряжение U₂ в два раза меньше, чем в однотактном трехфазном выпрямителе. В качестве вентилей для схемы Ларионова могут

при­меняться как кенотроны и газотроны, так и ртутные и полу­проводниковые вентили. Применение ртутных и полупровод­никовых вентилей предпочтительнее, так как для кенотро­нов и газотронов на силовом трансформаторе необходимо раза меньше, чем в однотактном трехфазном выпрямителе.

В качестве вентилей для схемы Ларионова могут при­меняться как кенотроны и газотроны, так и ртутные и полу­проводниковые вентили. Применение ртутных и полупровод­никовых вентилей предпочтительнее, так как для кенотро­нов и газотронов на силовом трансформаторе необходимо иметь четыре отдельных обмотки накала.

Обратное напряжение в схеме Ларионова определяется линейным напряжением вторичной обмотки, так как в непро­водящую часть периода любой неработающий вентиль присоединен через работающий к линейным зажимам трансфор­матора. Следовательно,

(22)

Малое значение обратного напряжения является пре­имуществом схемы Ларионова.

Пульсации выпрямленного тока (q₁ = 0,057) настолько незначительны, что выпрямитель во многих случаях может работать без сглаживающего фильтра. В основном схема Ларионова применяется на тяговых подстанциях для метро, трамвая, троллейбуса и электрических железных дорог.

Пример 3. Выпрямитель, собранный по схеме Ларионова, должен питать нагрузку при U₀ = 3000 В. В качестве вентилей выбраны гер­маниевые вентили типа ВГ-50-110, имеющие Uобр=110 В. Опре­делить число вентилей в схеме и вторичное линейное напряжение трансформатора.

Решение. Обратное напряжение в одном плече выпрямителя U_o6p=l,045U₀= 1,045*3000 = 3135 В.

Число вентилей в плече .

Полное число вентилей в схеме

N = 6*29 = 174, т. е. 6 групп по 29 вентилей. Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора

Краткие теоретические сведения

о биполярном транзисторе

Принцип действия биполярного транзистора

Простейший триод с двумя p-n-переходами имеет три вывода и называется транзистором. В транзисторах возможны два различных чередования с различными типами проводимостями.

В соответствии с этим транзисторы делятся на два типа p-n-p и n-p-n. Схематическое устройство и условное обозначение плоскостного транзистора приведены на рис. 1.

Эмиттер Коллектор Эмиттер Коллектор

База База

Э К Э К

Б Б

а) б)

Рис. 1. Схематическое изображение и условно-графическое

изображение транзисторов типа p-n-p и n-p-n.

У транзисторов центральный слой называется базой. Один из наружных слоев, являю­щийся источником зарядов (электронов и дырок), которые главным образом и создают ток прибора, называется эмиттером. Другой наружный слой, называемый коллектором, прини­мает заряды, поступающие от эмиттера.

На переход эмиттер-база (эмиттерный переход ) напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях через него проходят большие токи. На переход коллектор-база (коллекторный переход) напряжение подается в обратном направлении. Оно обычно в несколько раз выше напряжения между эмиттером и базой.

Рассмотрим более детально работу транзис­то­ра типа p-n-p (транзистор n-p-n работает аналогично). Между коллектором и базой транзистора прило­жено напряжение. Пока эмиттерный – ток I_э равен нулю (рис.2,а), ток в транзисторе идет только через коллекторный переход в обратном направлении. Величина этого тока определяется

концентрацией неосновных носителей заряда в коллекторе и базе и при хорошем качестве полупроводников мала.

При подключении к эмиттерному переходу источника­­ Е_э в прямом направлении возникает эмиттерный ток I­_э определенной величиной (рис.2,б). Электроны валентной зоны эмиттера переходят во внешнюю цепь, а образовавшиеся дырки начинаются двигаться в сторону базы. Так как внешнее напряжение приложено в прямом направлении, дырки преодолевают эмиттерный переход и попадают в область базы. База выполнена из n- полупроводника, поэтому дырки являются для нее неосновными носителями заряда.

Дырки, попавшие в область базы, частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Однако база обычно выполняется из n-полупроводника с большим удельным сопротивлением (с малым содержанием донорной примеси), поэтому концентрация свободных электронов в базе низкая и лишь немногие дырки, попавшие в базу, рекомбинируют с ее электронами. Вместо рекомбинированных электронов в базу из внешней цепи приходят новые электроны, образующие базовый ток I­_б.

Большинство дырок вследствие теплового движения (диффу­зии) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя в коллекторной цепи ток I_к .

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного то­ков характеризуется коэффициентом передачи тока (или статическим коэффициентом усиления по току)

, U_к = const.

Как следует из качественного рассмотрения процессов, про­исходящих в полупроводниковом триоде, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы; для современных плоскостных триодов α = 0,9 0,995 . Базовый ток представляет собой разность между коллекторным и эмиттерным токами: I_б = I_э - I­_к .