Випрямлячі з множенням напруги
Серед різних схем випрямляючих пристроїв особливу трупу складають схеми, в яких за допомогою відповідного включення випрямляючих елементів і конденсаторів здійснюється не тільки випрямлення, але одночасно і множення випрямленої напруги.
Перевага таких схем полягає у можливості побудови високовольтних безтрансформаторних випрямлячів та випрямлячів із трансформаторами, тільки для живлення ланцюгів розжарення кенотронів. Відсутність у силовому трансформаторі обмотки, що підвищує, значно полегшує його виготовлення і підвищує експлуатаційні якості випрямляча. До недоліків цих схем відносяться порівняно сильна залежність випрямленої напруги від струму в навантаженні та відносна складність отримання великих потужностей.
Схеми випрямлячів з множенням напруги набули найбільшого поширення в рентгенотехнічних установках. У радіотехнічній практиці вони використовують у основному живлення малопотужної апаратури, споживає струм трохи більше 50-70 мА при напрузі близько 200 в. Однак і тут область їх застосування можна значно розширити, побудувавши, наприклад, за схемою із потроєнням або затвердінням напруги досить потужні безтрансформаторні випрямлячі. Подібні випрямлячі при напрузі мережі змінного струму 110, 127 або 220 дозволяють отримати постійну напругу 300- 400 при струмі до 100-150 мА, що забезпечує живлення анодних ланцюгів приймачів, підсилювачів низької частоти середньої потужності.
Особливістю роботи випрямлячів з множенням напруги є використання властивостей конденсаторів накопичувати протягом деякого часу зберігати електричну енергію. При роботі випрямляча від звичайної мережі 50-періодного змінного струму час, протягом якого конденсатор повинен зберігатизаряд, що не перевищує 0,02 сек. Чим більша ємність (що входять до схеми конденсаторів, тим більша кількість електричної енергії вони зберігають і тим вище при одному і тому ж навантаженні виходить випрямлену напругу. Тому в таких випрямлячах найзручніше застосовувати електролітичні конденсатори, які, маючи невеликі розміри, володію! значною ємністю .
Нижче описується ряд практичних схем випрямлячів з множенням напруги, причому більшість із них наводяться навантажувальні характеристики, зняті при різних ємностях накопичувальних конденсаторів. Такі характеристики дозволяють досить повно судити про можливі сфери застосування тієї чи іншої схеми, а також за заданим випрямленим струмом, випрямленої напруги і напруги мережі живлення вибрати схему випрямляча і визначити основні дані його деталей.
СХЕМИ ВИПРЯМНИКІВ З ПРИМНОЖЕННЯМ НАПРУГИ
Схеми з подвоєнням напруги.Схеми випрямлячів з подвоєнням напруги, що отримали найбільш широке поширення в радіоаматорській практиці, наведені на фіг. 1.
Фіг. 1. Принципові схеми випрямлячів з подвоєнням напруги. а - схема двонапівперіодного випрямляча; б - схема однонапівперіодного випрямляча.
Для того щоб можна було досить повно порівняти та оцінити переваги та недоліки обох схем, на фіг. 2 наведено їх навантажувальні характеристики. Характеристики зняли при різних ємностях конденсаторів С1 і С2. У випрямлячах використовувалися селенові стовпчики В1 і В2, зібрані з 13 шайб діаметром 45 мм. Напруга мережі живлення підтримувалося рівним 120 ст. Для обмеження пускового струму, який через ємнісний характер навантаження може досягати значних величин, послідовно в ланцюг живлення включалосяопір R, що дорівнює 20 Ом. Завдяки цьому створювалися більш сприятливі умови для випрямлячів.
Фіг. 2. Навантажувальні характеристики випрямлячів з подвоєнням напруги (зняті при напрузі електромережі живлення, що дорівнює 120 в). а - характеристики двонапівперіодного випрямляча; б - характеристики однонапівперіодного випрямляча.
Порівнюючи навантажувальні характеристики обох випрямлячів, зняті при одних і тих (ж значеннях ємності конденсаторів С1 і С2, можна помітити, що для схеми двонапівперіодного випрямлення вони лежать помітно вище, ніж для схеми однонапівперіодного. Отже, випрямлена напруга на навантаженні при однаковому першої схеми (фіг. 1 а), ніж для другої (фіг. 1 б).
Наведені характеристики дозволяють також судити про реальні робочі напруги, при яких працюють конденсатори схеми.
Завдяки тому, що частота пульсації при двонапівперіодному випрямленні виходить у два рази більшою, ніж при однонапівперіодному, для першої схеми (фіг. 1, а) значно полегшується подальша фільтрація випрямленої напруги, і крім того, коефіцієнт пульсації показує, яку частину випрямленої напруги на виході випрямляча становить амплітуда змінної складової цієї напруги) для однакового навантаження та однакових значень ємності конденсаторів С1 і С2 виходить дещо меншим. Так, наприклад, при опорі навантаження 2000 Ом та ємності конденсаторів С1 та С2 по 48 мкФ коефіцієнт пульсацій для першої схеми становив 6,5 %, а для другої – 7,6 % (незважаючи на те, що в першій схемі сумарна ємність на виході випрямляча вдвічі менше, ніж у другий).
Слід також зазначити, що робочі напруги на конденсаторах у першій схемі однакові та рівніполовині випрямленої напруги, тобто не перевищують 150 (якщо тільки випрямляч не працює без навантаження), тоді як у другій схемі під такою напругою працює тільки конденсатор С1 а конденсатор С2 знаходиться під повною випрямленою напругою і, отже, повинен бути розрахований на робоча напруга не менше ніж 300 ст.
При роботі випрямлячів з подвоєнням напруги без навантаження, тобто вхолосту, випрямлену напругу приблизно дорівнює подвоєному амплітудному значенню напруги мережі живлення, і отже, може перевищити 350 (якщо ефективна напруга мережі дорівнює 127 в). Таке підвищення напруги може призвести до пробою конденсаторів, шайб селенів або ізоляції між ниткою розжарення і катодом в кенотронах. Тому, якщо за технічними умовами випрямляч повинен працювати без навантаження або дуже високоомное навантаження, то деталі, що застосовуються в ньому, повинні бути розраховані на відповідну робочу напругу. Остання умова відноситься також і до схем, що наводяться в наступних розділах брошури.
Деякою перевагою однонапівперіодної схеми є можливість дуже простого перемикання її на живлення від мережі з напругою 220 ст. Щоб зробити таке перемикання, потрібно з'єднати послідовно випрямлювальні елементи В1 і В2 і скоротити конденсатор С1. У цьому випадку випрямляч працюватиме за схемою однонапівперіодного випрямлення без подвоєння напруги. Навантажувальні характеристики при цьому майже не зміняться.
Область застосування описаних вище схем випрямлячів - живлення 4. 5 лампових приймачів (що мають вихідну потужність не більше 2-3 Вт), малопотужних підсилювачів низької частоти та малолампової вимірювальної апаратури.
У всіх цих випадках як випрямний елемент найзручнішевикористовувати кенотрон 30Ц6С, нитка розжарення якого з'єднується послідовно з нитками розжарення інших ламп апарату. Випрямляч з цим кенотроном і конденсаторами С1 і С2 ємністю по 20-40 мкф дає напругу 200-220 при струмі близько 70 мА. Застосовуючи замість кенотрону 30Ц6С селенові стовпчики, зібрані з шайб діаметром 35 або 45 мм, і конденсатори більшої ємності, можна збільшити випрямлену напругу і отримати струм вдвічі (для шайб діаметром 35 мм) і втричі (для шайб діаметром 45 мм). Випрямлячі в цьому випадку можуть живити потужніші приймачі (до 4 Вт вихідний потужності), підсилювачі низької частоти, малолампові телевізори і т.п.
Фіг. 3. Принципова схема випрямляча з потроєнням напруги.
Фіг. 4. Навантажувальні характеристики випрямляча з потроєнням напруги (зняті при напрузі електромережі живлення, що дорівнює 120 в).
Схема з потроєнням напруги.Схема випрямляча з потроєнням напруги наведена на фіг. 3. Вона є комбінацією двох схем однополуперіодних випрямлячів: схеми з подвоєнням напруги і схеми без множення. До мережі живлення обидві схеми підключаються паралельно, а їх виходи (випрямлені напруги) з'єднуються між собою послідовно. Таким чином, напруга на виході випрямляча, що дорівнює сумі випрямлених напруг (подвоєному напрузі мережі на конденсаторі С2 і одинарному - на конденсаторі С3), виявляється рівним, приблизно, потрійному напрузі мережі.
Навантажувальні характеристики випрямляча, наведені на фіг. 4 показують, що при струмі близько 200 мА такий випрямляч може віддавати напругу понад 300 ст. Характеристики знімалися при опорі R = 10 Ом з випрямляча, в якому (як випрямні елементи В1, В2 і В3 використовувалисяоднакові селенові стовпчики, зібрані кожен 13 шайб діаметром 45 мм.
Напруга мережі живлення підтримувалося рівним 120 в, а ємності конденсаторів С1, С2 і С3 змінювалися в межах від 32 до 100 мкф.
Характер пульсації випрямленої напруги цієї схеми при рівних значеннях ємності всіх трьох конденсаторів такий же, як і в схемі двонапівперіодного випрямлення, а коефіцієнт пульсації при навантаженні випрямляча опором 2000 ом і ємності конденсаторів по 50 мкф - порядку 7 Робоча напруга на конденсаторах С1 і С3 вбирається у 150 в, але в конденсаторі С2 - 300 в.
Слід мати на увазі, що у схемі з потроєнням напруги при відсутності навантаження і напрузі мережі живлення 120-127 у випрямлену напругу перевищує 500 ст.
Наведені вище дані показують, що випрямляч з потроєнням напруги може отримати ширше застосування, ніж з подвоєнням. Питання про вибір випрямляючих елементів для такого випрямляча буде розглянуто нижче.
Схеми з врахуванням напруги.Схема випрямляча з врахуванням напруги може бути двох видів: симетричної та несиметричної.
Симетрична схема, зображена на фіг. 5, являє собою комбінацію двох схем однонапівперіодних випрямлячів з подвоєнням, що працюють в різні напівперіоди напруги мережі живлення. Робота цієї схеми відбувається наступним чином- Під час напівперіоду одного знака заряджаються конденсатори С1 і С4, причому напруга на конденсаторі С1 досягає, приблизно, одинарного, а на конденсаторі С4 - подвоєного ефективного значення напруги мережі живлення (конденсатор С4 заряджається, використовуючи вже наявний заряд на конденсаторі С2). Під час напівперіоду протилежного знака так само заряджаються конденсатори С2 і С3. Випрямлена напругазнімається з відповідних полюсів конденсаторів С3 та С4, з'єднаних між собою послідовно. Таким чином, воно подвоюється вдруге.
Фіг. 5. Симетрична схема випрямляча з врахуванням напруги.
Напруга, до якого заряджаються конденсатори С1 і С2, виявляється тим більшим, чим більший навантажувальний опір або, інакше кажучи, потужність, що віддається випрямлячем. Максимального значення зарядна напруга досягає у разі відключення від випрямляча навантаження, стаючи рівним амплітудному значенню напруги мережі (в 1,41 рази більше ефективного значення) на конденсаторах С1 та С2 та подвоєному амплітудному значенню (у 2,82 рази більше ефективного значення) – на конденсаторах С3 та С4.
Фіг. 6. Навантажувальні характеристики випрямляча з вчеверненням напруги (зняті при напрузі мережі живлення, що дорівнює 120 в).
Для того, щоб можна було швидко визначити необхідні ємності конденсаторів C1, С2, С3 і С4, на фіг. 6 наведені навантажувальні характеристики, зняті з випрямляча при різних значеннях цих ємностей (у всіх випадках С1 = С2 С3 = С4). Наведені характеристики показують, що при конденсаторах С1 і С2 ємністю по 60 мкф і С3 і С4 - по 16 мкф напруга на виході випрямляча при струмі 150 мА досягає 400 в.
Конденсатори С1 і С2 повинні бути розраховані на робочу напругу не менше ніж 150 ст, а С3 і С4 - не менше ніж 250 ст.
Коефіцієнт пульсації випрямленої напруги у разі навантаження випрямляча опором 3000 Ом виявляється рівним приблизно 6%, а форма напруги на навантаженні та ж, що і при двонапівперіодному випрямленні.
Слід пам'ятати, що у симетричних схемах випрямлячів з множенням напруги шасі перебуває під порівняно високимпотенціалом щодо землі та живильного джерела.
Фіг. 7. Несиметрична схема випрямляча з врахуванням напруги.
Несиметрична схема випрямляча з врахуванням напруги показана на фіг. 7. Працює вона за дещо іншим принципом, ніж попередня. Тут напівпериод відповідного знака через випрямний елемент В1 і опір R, приблизно до напруги мережі, заряджається конденсатор С1. У наступний напівперіод через випрямний елемент В2 і опір R, використовуючи заряд на конденсаторі С1 приблизно до подвійної напруги мережі заряджається конденсатор С3. До такого ж напруги заряджається наступний напівперіод конденсатор С2 через випрямний елемент В3. У цей час знову заряджається конденсатор С1. Потім заряд конденсатора С2 через елемент випрямлення В4 заряджає конденсатор С4. Випрямлена напруга знімається з послідовно з'єднаних конденсаторів С3 та С4. Вся схема працює за принципом однонапівперіодного випрямлення.
Фіг. 8. Навантажувальні характеристики несиметричного випрямляча (зняті при напрузі мережі живлення, що дорівнює 120 в).
Зняті з випрямляча навантажувальні характеристики (фіг. 8) мають значний нахил. Це свідчить про неможливість використання таких схем для радіотехнічних апаратів підвищеної потужності. Робоча напруга розподіляється на конденсаторах досить своєрідно, причому характер розподілу залежить від величини навантаження. У табл. 1 наведено робочу напругу на конденсаторах при двох різних навантаженнях і без навантаження.