Общие сведения. Регулирование выходного напряжения выпрямителя возможно с помощью реостата или потенциометра в цепи постоянного тока или автотрансформатора в цепи переменного

Регулирование выходного напряжения выпрямителя возможно с помощью реостата или потенциометра в цепи постоянного тока или автотрансформатора в цепи переменного тока. Оба способа просты, но имеют существенные недостатки: низкий КПД вследствие значительного потребления энергии регулирующими элементами, громоздкость и высокая стоимость регуляторов. В настоящее время широко применяют более экономичные и удобные управляемые выпрямители. В качестве вентилей в них используются тиристоры, позволяющие совместить процессы выпрямления и регулирования.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя или более p–n-переходами и тремя выводами. Структура, условное обозначение и вольтамперная характеристика тиристора приведены на рис. 2.1. Основу тиристора составляет кристалл кремния, в котором созданы четыре слоя с разными типами электропроводности. Внешний p-слой называют анодом (А), внешний n-слой – катодом (К), а два внутренних слоя – базами. Одна из баз имеет вывод – управляющий электрод (У). При прямом включении (анод положителен по отношению к катоду) переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении и ток I_пр определяется высоким сопротивлением закрытого перехода П2. До тех пор пока П2 закрыт, прямой ток практически равен нулю. При поступлении на управляющий электрод импульсного сигнала за счет перераспределения зарядов в области баз переход П2 открывается. Сопротивление его уменьшается, и тиристор переходит на рабочую часть характеристики, подобную прямой ветви характеристики диода. Таким образом, тиристор можно считать управляемым диодом, который проводит ток только в одном направлении после поступления разрешающего сигнала на управляющий электрод. Он остается во включенном состоянии, пока протекающий через него ток больше критического, называемого током удержания I_уд. Как только I_пр станет меньше I_уд, тиристор закрывается.

При обратном включении тиристора (анод отрицателен по отношению к катоду) закрыты два перехода П1 и П3 и тиристор тока не проводит. Для нормальной работы тиристора надо, чтобы напряжение на нем не превышало при прямом и при обратном включении допустимых значений U_{вкл max} и U_{обр max}.

На рис. 2.2 показана схема стенда для исследования управляемого выпрямителя. При отключенном выключателе В цепь тиристора VS2 разомкнута и получаем схему однополупериодного выпрямителя на двух последовательно включенных вентилях VD2 и VS1. Диод VD2 открыт все положительные полупериоды напряжения, и процессы управления выпрямленным напряжением определяются работой тиристора VS1.

Без управляющего тока i_у тиристор не откроется даже в положительные полупериоды u₂.
Напряжение на нагрузке u_н и ток i_н будут равны нулю. Управляющий ток i_у в виде коротких импульсов вырабатывается и подается на управляющий электрод тиристора блоком управления БУ. Эти импульсы синхронизированы с положительными полупериодами напряжения u₂. С помощью потенциометра их можно смещать по фазе относительно u₂ на угол a, называемый углом управления. Угол a можно изменять в пределах от 0 до 180°.

Если управляющие импульсы приходят на тиристор в начале каждого положительного полупериода (a=0°), то тиристор сразу открывается и ток через нагрузку протекает весь полупериод (рис. 2.3) Среднее напряжение на нагрузке будет такое же, как и при работе неуправляемого выпрямителя

Если с помощью БУ импульсы i_y сместить на угол a относительно напряжения u₂, то тиристор откроется с запаздыванием, и будет пропускать ток только часть полупериода от a до p. В этом случае

Таким образом, изменяя a от 0 до 180°, можно плавно регулировать U_{н ср} от U_н0 до 0. Ток нагрузки повторяет u_н:

При включенном выключателе В работают все четыре вентиля и получаем схему мостового управляемого выпрямителя. Принцип работы тиристоров в этой схеме не отличается от описанного выше. Управляющие импульсы i_y подаются на VS1 и VS2 синхронно с положительными полупериодами напряжения на каждом из них.

Среднее значение выпрямленного напряжения вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении

Возможности управляемых выпрямителей определяют две основные характеристики:

1. Характеристика управления, представляющая зависимость
U_{н ср} (a) при R_н = const.

2. Внешняя характеристика, отражающая зависимость U_{н ср} (I_{н ср}) при a = const.