Электротехнические материалы и изделия

3.Выпрямители

Выпрямительным называют диод, который предназначен для получения  однополярного пульсирующего напряжения путём выпрямления переменного  напряжения. Полученное пульсирующее напряжение сглаживают, например, конденсатором, в итоге получая постоянное напряжение. Выпрямительные диоды изготавливают по технологии получения плоскостных диодов в связи с тем, что их обычно используют на низких частотах, а прямой ток через электронно-дырочный переход зачастую составляет многие амперы. Маломощные выпрямительные диоды способны успешно рассеивать выделяющееся в них тепло исключительно своим корпусом, в то время как мощные диоды иногда этого сделать не могут, по причине чего их монтируют на охладители. Выпрямительные диоды выпускают как дискретными компонентами, так и объединёнными в диодные сборки.

Если обратное напряжение, прикладываемое к выпрямительному  диоду, будет больше максимально  допустимого для конкретной марки компонентов, то для предупреждения развития пробоя несколько диодов соединяют последовательно. Сопротивление диодов в обратном включении весьма различно даже для компонентов одной марки и партии. Чтобы избежать превышения допустимого значения обратного напряжения на том диоде, сопротивление которого наиболее велико, каждый из последовательно соединённых диодов шунтируют высокоомным резистором. Это позволяет выровнять обратные напряжения на всех диодах.Если прямой ток, протекающий через диод, будет больше максимально допустимого для конкретной марки диодов, то для предотвращения выхода из строя несколько диодов соединяют параллельно. Сопротивление диодов даже одной марки и партии в прямом включении иногда имеет существенные различия. Чтобы избежать превышения допустимой силы прямого тока на том диоде, сопротивление которого наиболее низко, последовательно с каждым из диодов включают по низкоомному резистору. Это позволяет выровнять силу прямых токов, протекающих по всем диодам.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

Силовой трансформатор  – устройство для понижения или  повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю  проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

Фильтр – для сглаживания  пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

по схеме выпрямления  – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

Однополупериодный выпрямитель.

U2 - Напряжение на вторичной  обмотке трансформатора 

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

U2 - Напряжение на одной половине  вторичной обмотки трансформатора 

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке  при отсутствии конденсатора.

 

По типу выпрямительного  элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и  др.

По величине выпрямленного  напряжения – низкого напряжения и высокого.

По назначению –для питания  анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций –  частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой-однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций  – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической  составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 % ) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение  коэффициента пульсаций на входе  фильтра к коэффициенту пульсаций  на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен  произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Схема удвоения напряжения.

U2 - Напряжение вторичной обмотки  трансформатора 

Uн – Напряжение на нагрузке.

 

Трехфазный  выпрямитель.

ФА, ФС, ФВ – напряжения на вторичных  обмотках трехфазного трансформатора.

U va Uvb Uvc напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.

Uн – Суммарное напряжение  на нагрузке.

 

Выпрямители, применяемые  для однофазной бытовой сети выполняются  по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой  точкой(или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Греца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.

Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему  выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 –  среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор  выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе(вентиле) в  непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор  трансформатора: U2 – действующее  значение напряжения на вторичной обмотке  трансформатора, I2 – действующее  значение тока во вторичной обмотке  трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

4.Приборы для  отображения информации

Индикаторы 

Для воспроизведения  мнемонических символов, букв и цифр используют буквенно-цифровые индикаторы. Единичным называют индикатор, который  отражает один символ или одну цифру. Одноразрядным называют индикатор, у которого выводы всех излучателей света не соединены друг с другом и выведены из корпуса для подключения к устройству управления. Сегментным называют индикатор, состоящий из нескольких излучателей, в котором отображение одного знака или символа обеспечивает один источник света. Матричным называют индикатор, внутри которого выводы излучателей света объединены определённым образом в матрицу, а подавая питание на определённую строку и столбец, инициируют свечение заданной ячейки. К важнейшим параметрам индикаторов относят угол обзора, число цветов, яркость, разрешение по горизонтали и вертикали, контрастность, потребляемую мощность, время отклика и прочее.

4.1. Светодиодные индикаторы 

Светодиодные индикаторы выполняют из ряда размещённых определённым образом отдельных светодиодов. Подавая питание на некоторые полупроводниковые кристаллы светодиодных структур индикатора, получают излучение нужных светодиодов. Оно попадает непосредственно на прозрачный участок корпуса индикатора, или сначала на отражатели, свечение которых имеет вид знака или символа. Для питания светодиодных индикаторов необходимо постоянное напряжение от 1,6 до 3,5 В. Чтобы получить нужный цвет свечения, применяют светодиоды, генерирующие свет с необходимой длиной волны, или прежде чем выпустить из корпуса излучённый свет, пропускают через светофильтр.

Достоинства светодиодных индикаторов состоят в чёткой форме символов и знаков, в низком напряжении питания, в небольшой  потребляемой мощности.

Недостаток заключён в малой яркости и довольно большом потребляемом токе.

4.2. Жидкокристаллические  индикаторы 

Жидкие кристаллы –  это вещества, молекулы которых обладают высокой подвижностью, и склонны  к упорядоченной ориентации в  электрическом поле. Удельное сопротивление жидких кристаллов велико и достигает от 10⁶ до 10¹¹ Ом. При комнатной температуре в отсутствие электрического поля ориентация молекул жидких кристаллов хаотична, ввиду чего вещество не прозрачно. При возникновении электрического поля происходит упорядочивание молекул, и в результате вещество становится оптически прозрачно.

Прозрачный электрод изготавливают в форме цифр или  символов, в соответствии с тем, какое  изображение желают получить. Между  токопроводящими плёнками нужных в  данный момент прозрачных электродов и металлическим основанием подсоединяют генератор, вырабатывающий переменное напряжение амплитудой от 2 до 15 В и частотой от десятков до тысяч герц.

На рисунке цифрами  обозначено:

1 – стекло или подобный прозрачный  материал;

2 – плёнки прозрачных электродов, образующих матрицу;

3 – жидкие кристаллы;

4 – металлическая поверхность.

Достоинства жидкокристаллических индикаторов заключено в чрезвычайно  низком энергопотреблении и невысоком  питающем напряжении.

Недостатки состоят  в малом времени наработки на отказ, в обязательном наличии источника внешнего освещения.

 Электронно-лучевые трубки

Электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) называют вакуумную электронную  лампу, в которой поток электронов концентрируют в луч, направленный в сторону экрана. Обычно концентрацию (фокусировку) электронов в луч осуществляют либо воздействием электрического поля, либо магнитного поля. К разновидностям ЭЛТ относят: электромагнитные, электростатические, запоминающие, индикаторные трубки, кинескопы и прочие. ЭЛТ с электростатической фокусировкой используют в осциллографах в качестве устройства отображения осциллограмм.

Электронно-лучевая трубка состоит из трёх важнейших частей – электронной пушки, системы  отклонения луча и экрана.

На рисунке цифрами  отмечено: 1 – нить накала; 2 – катод; 3 – модулятор; 4 и 5 – первый и второй аноды; 6 и 7 – пластины отклонения луча вдоль осей Y и X; 8 – аквадаг; 9 – экран трубки. Резистор R1 служит для коррекции яркости изображения, а резистор R3 – для регулировки его фокуса.

 

Электронная пушка включает нить накала, разогревающую никелевый катод, испускающий в результате эмиссии электроны, которые собирает в луч модулятор, состоящий из металлического цилиндра с маленьким отверстием в центре одного из торцов.

Чтобы разогнать электроны  до необходимой скорости, используют систему из двух анодов. На второй анод подают много большее напряжение (от единиц до десятков киловольт), чем на первый анод (сотни вольт). Кроме увеличения скорости потока электронов, аноды осуществляют некоторую его фокусировку, действуя как электростатическая линза. Затем электронный луч проходит между пластинами вертикального и горизонтального отклонения луча. Если приложить постоянное напряжение к одной из систем платин, то поток электронов будет смещён в сторону той пластины, к которой был подсоединён положительный полюс питания.

Внутреннюю поверхность  экрана, выполненного из стекла, покрывают  люминофором, т.е. веществом, попадая  в которое электроны выбивают кванты света. Аквадагом именуют  электропроводящее покрытие графитом поверхности колбы ЭЛТ, которое электрически подсоединяют ко второму аноду с целью поглощения вторичных электронов, которые возникают при достижении электронным лучом люминофора.

В ЭЛТ с электромагнитным управлением электронный поток  фокусируют не пластины горизонтального и вертикального отклонения луча, а фокусирующая и отклоняющая катушки, которые надевают на колбу трубки, порождающие взаимно перпендикулярные магнитные потоки. Аноды при электромагнитном управлении лучом служат исключительно для его ускорения.

В настоящее время  электронно-лучевые трубки практически  полностью вытеснены из бытовой  аппаратуры. Однако их продолжают использовать в специальной аппаратуре, например, которая должна работать в условиях радиации, а также это могут  быть радиолокаторы, системы наблюдения за промышленными роботами .

Жидкокристаллические  дисплеи и панели

Жидкокристаллические (LCD) дисплеи обладают таким же светоклапанным принципом действия, как и рассмотренные  выше жидкокристаллические индикаторы. Они могут работать либо на отражение, либо на просвет. Жидкие кристаллы можно отнести к одному из трёх видов: смектическим, нематическим или холестерическим.

Смектические жидкие кристаллы формируют слои, в которых  молекулы имеют упорядоченное положение.