Теоретическая часть. Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное)

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное). Среднее значение (постоянная составляющая) этого постоянного напряжения используется потребите­лем. Наличие переменных составляющих (пульсаций) в результате преобразования неизбежно. Различными мерами пульсации могут быть уменьшены до любых малых значений. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров.

Рассматриваемые в работе схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Они обеспечивают постоянным напряжением питание электромашинных механизмов, технологических процессов, электронных устройств. Знание свойств источников питания необходимо специалисту для грамотной их эксплуатации.

Основной элемент схем выпрямления – диод. Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются р-п- переходом, образованным между двумя кристаллами полупровод­никового материала с различными типами проводимостей.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода, например 2Д504А, изображена на рис. 1.1.

Основными параметрами диодов являются максимальное допустимое значение тока в прямом направлении I_ПРmax и максимальное допустимое значение обратного напряжения U_ОБРдоп. При протекании через диод номинального тока в прямом направлении падение напряжения не превышает одного вольта. Приложенное к диоду обратное напряжение вызовет обратный ток величиной от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

 

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика
полупроводникового диода 2Д504А

 

В блоках питания выпрямители подключаются к выходным обмоткам понижающих трансформаторов, входные обмотки которых подключены к источнику синусоидального напряжения u₁(t) = U_1m sin ωt,как показано на рис. 1.2. Такие схемы выпрямления имеют следующие основные параметры:

– u₂(t) = U_2m sin ωt = U₂ sin ωt – мгновенное значение напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U₂ – действующее значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U_2m – амплитудное значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

– U_d – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения U_CP);

– U_~m – размах пульсации выходного напряжения выпрямителя.

При выпрямлении однофазного переменного тока простей­шими схемами выпрямления являются одно- и двухполупериодныеоднофазные схемы. Однополупериодными выпрямителями являются та­кие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в про­цессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухполупериодныхвыпрямителях – в обоих направле­ниях.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 1.2. Ток через нагрузку протекает в течение одного полу­периода сетевого напряжения. Диаграммы напряжений показаны на рис. 1.3.

 

 

Рис. 1.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Рис. 1.3. Диаграммы напряжений

Исходя из приведенных выше определений основные параметры выпрямителя:

– среднее значение выпрямленного напряжения

– среднее значение тока диода

где I_2m – амплитудное значение тока выходной обмотки трансформатора;

– максимальное обратное напряжение на диоде

Выпрямленное напряжение u_d содержит постоянную составля­ю­щую U_d и переменную составляющую u_d~, представляющую собой сумму высших гармонических составляющих. Разложение в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения u_d позволяет определить коэффициенты этого ряда.

Постоянная составляющая

U_d – функция четная, кроме основной имеет четные гармоники.

Амплитуда гармонической составляющей порядка n = 2, 4, 6, …

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации, представляющим собой отношение размаха переменной состав­ляющей к среднему значению выпрямленного напряжения. Для схемы однополупериодного выпрямления коэффициент пульсаций

При выборе диода для схемы однополупериодного однофазного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое обратное напряжение диода было больше амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (U_{обр max} ≥; U_2m) (рис. 1.3).

К недостатку однополупериодного выпрямителя относится присутствие постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через транс­форматор (рис. 1.2), то постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры. Также к недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напря­жения. Выпрямители подобного типа при­меняют, главным образом, в специальных маломощных установках.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

 

Напряжения и₂₁ и и₂₂ на каждой половине вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидаль­ных напряжения и₂, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180°. Диоды проводят ток поочередно в течение полупериода. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 1.5.

Основные параметры выпрямителя исходя из приведенных выше определений:

– среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двух­­полупериодной схеме в два раза больше по сравнению с предыдущей однополупериодной схемой выпрямления:

(1.1)

– среднее значение тока диода

– максимальное обратное напряжение на диодах

В кривой выпрямленного напряжения ярко выражена вторая (n = 2) гармоническая составляющая с частотой f = 100 Гц (при f_с = 50 Гц). Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

(1.2)

Напряжение, приложенное к закрытым диодам, рав­но разности потенциалов между выводами полной вторичной обмотки трансформатора и₂, состоящей из двух частей, т. е. и₂₁ + и₂₂ = и₂ (рис. 1.4).

В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего постоянное подмагничивание сердечника отсутствует.

Рис. 1.5. Диаграммы напряжений и токов

Однофазный мостовой выпрямитель имеет наибольшее распростране­ние. В блоках питания данные выпрямители часто используются без трансфор­маторов, с подключением непосредственно к сетевому напряжению. Схема однофазного мостового вып­рямителя представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема однофазного мостового выпрямителя

 

Диоды проводят ток попарно: VD1, VD4 – в течение одного полупериода, а VD2, VD3 – в течение другого полупериода питающего напряжения. Основные параметры выпрямителя следующие:

– среднее значение выпрямленного напряжения

(1.3)

– среднее значение тока диода

– максимальное обратное напряжение на диодах

Рассматриваемая схема относится к двухполупериодной схеме выпрямления. Коэффициент пульсации на выходе вы­прямителя

(1.4)

Амплитуда обратного напряжения U_ОБРmax при одинаковом выпрямленном напряжении U_d в выпрямителе по мостовой схеме выпрямления (рис. 1.6) в два раза меньше, чем в вы­прямителе по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4). Такая схема выпрямления позволяет получить заданное вы­прямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора вдвое меньшем, чем в двухполупе­риодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4) при прочих равных ус­ловиях. Данное обстоятельство приводит к снижению массогабаритной мощности трансформатора.

Диаграммы напряжений и токов данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Диаграммы напряжений и токов мостового выпрямителя

 

Разновидностью мостовой схемы выпрямителя является мостовая схема со средней общей точкой, как в схеме выпрямителя на рис. 1.4.
При наличии вывода от середины вторичной обмотки трансформатора выпрямитель имеет два выходных напряжения. Первый выход – это напряжение между положительной клеммой выпрямителя и средней точкой, второй выход – между отрицательной клеммой и средней точкой. При соединении средней точки обмотки с общим проводом получается два источника симметричных разнополярных напряжений. Такие источни­ки постоянных напряжений при наличии сглаживающих фильтров при­меня­ются для питания аналоговых операционных усилителей (рис. 1.8).

 

Рис. 1.8. Мостовая схема выпрямления со средней точкой

 

Схема выпрямления с умножением напряжения позволяет получить высокие значения выпрямленного напряжения без исполь­зования вы­соковольтных трансформато­ров. Наибольшее распространение на практике получили однофазные схемы выпрямления с удвоением напряжения (рис. 1.9).

Принцип действия такой схемы заклю­чается в зарядке каждого из последовательно соединенных конденса­торов через свою группу диодов от выходной обмотки транс­форматора. Выходное напряжение выпрямителя при этом равно сумме напряжений на всех конденсаторах и может в несколько раз превышать амплитуду напряжения выходной обмотки трансформатора

u_ВЫХ = u_Н = u_C1 + u_C2 » 2u_2m.

Диаграммы напряжений данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.10.

 

Рис. 1.9. Однофазные схемы выпрямления Рис. 1.10. Диаграмы напряжений

с удвоением напряжения выпрямителя с удвоением напряжения

Все рассмотренные выше схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений
К_п = 0,002–0,02. Если потребитель постоянного напряжения предъявляет повышенные требования к ограничению пульсаций, то для их уменьшения применяются фильтры. Простейшими фильтрами являются емкостный и индуктивный.

Емкостный фильтр образуется конденсатором, подключенным к выходным клеммам выпрямителя, т. е. параллельно нагрузке (рис. 1.11).
При использовании простейшего емкостного фильтра сгла­живание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происхо­дит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра С_Ф и последующей его разрядки на сопротивле­ние нагрузки R_Н с постоянной времени разряда t _РАЗР = С_Ф R_Н.

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной состав­ляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Следует отметить, что емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока. Процессы изменения напряжения на конденсаторе и токов в цепях представлены на рис. 1.11.

 

Рис. 1.11. Схема выпрямления с емкостным фильтром
и процессы изменения напряжений и токов

 

Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.

При включении емкостного фильтра в выпрямителенапряжение u_H не уменьшается до нуля, увеличивая сред­нее значение выпрямленного напряжения по сравнению с выпрямителем без фильтра. При этом к закрытому диоду приложено напряжение U_ОБРmax, зна­чение которого может приближаться к удвоенному значению U_2m.

Емкость конденсатора С_Ф выбирают такой, чтобы выполня­лось соотношение

t _РАЗР = С_Ф R_Н >> Т,

где Т = 1 / f _осн – период основной гармоники.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильт­ром умень­шается. Емко­стный фильтр для сглаживания пульсаций целесооб­разно применять с высокоомным нагрузочным сопротивлением R_Н при мощности Р_Н не более нескольких десятков Ватт.

Если требуется более высокий коэффициент сглаживания, то прибегают к сложным сглаживающим фильтрам. К ним отно­сятся Г - и П -об­раз­ные фильтры LC- и RС -типов.

Ток через диоды при наличии конденсатора на выходе выпрямителя протекает короткими импульсами. При выборе диодов только по среднему значению тока в р-п- переходе могут возникать опасные локальные перегревы.

В качестве индуктивного фильтра используют катушку с ферро­магнитным сердечником, называемую дросселем. Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки. Индуктивность дросселя приводит к уменьшению пульсаций за счет индуктивного сопротивления его обмотки.

Внешняя характеристика выпрямителя отражает динамику изменения выходного напряжения выпрямителя в зависимости от изменения тока нагрузки. При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра (рис. 1.12). Наклон внешней характеристики при том или ином токе I_ср характеризуется выходным сопро­тивлением R_ВЫХ, которое определяется выражением

I_ср – заданный.