Общие сведения. Выпрямителем называется устройство преобразования переменного напряжения в постоянное

Выпрямителем называется устройство преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство, помимо выпрямителя В, в который входят один или несколько включенных по определенной схеме вентилей, содержит в себе силовой трансформатор Т, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор Ст (рис. 1.1). В зависимости от условий работы и требований отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать.

Основным элементом выпрямителя является вентиль (диод) – это нелинейный элемент, обладающий незначительным сопротивлением току в прямом направлении и весьма большим – в обратном. Наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды, вентильные свойства которых определяются свойствами p-n-перехода – контактом двух полупроводниковых материалов с различными типами электропроводности.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2. Для указанных направлений положительные ток и напряжение называют прямыми, отрицательные – обратными.

Основные параметры диодов: предельно допустимый прямой ток (постоянная составляющая) и максимально допустимое постоянное обратное напряжение. Превышение их приводит к необратимым процессам в p-n-переходе, разрушающим его.

Рассмотрим следующие выпрямители, имеющие широкое практическое использование: однофазный однополупериодный, однофазный мостовой и трехфазный мостовой. При анализе работы выпрямителей будем считать вентили идеальными, т.е. сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечности.

,

являющийся для вентиля прямым током.

В этом интервале времени (0...Т/2; Т...3T/2)
u_н = u₂ = U_2msinwt; u_в = 0 (рис. 1.3,б). При отрицательных значениях u₂ вентиль VD закрыт, его сопротивление бесконечно велико, значит, u_н = 0; u_в = u₂ = = U_2msinwt.

Периодическое повторение этих процессов формирует на нагрузке несинусоидальное выпрямленное напряжение u_{н ,} постоянная составляющая которого

Учитывая, что U_{н max} = U_2m = , получаем соотношение для выбора напряжения трансформатора по заданной постоянной составляющей выпрямленного напряжения: U_{н ср}= U₂/p = 0,45U₂ или U₂ = 2,22 U_{н ср} .

Для надежной работы вентили выбирают из условий: , U_{обр max} ≥ U_2m = pU_{н ср} .

Коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения р называют отношение амплитуды основной гармоники к постоянной составляющей. Для однополупериодного выпрямителя напряжение представляется рядом Фурье:

Тогда коэффициент пульсаций

Недостатком однополупериодных выпрямителей является высокий уровень пульсаций, подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током. Они применяются для питания цепей малой мощности (10...15 Вт) высокого напряжения, например, электронно-лучевых трубок. Отмеченных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 1.4, а) содержит четыре вентиля VD1...VD4, включенных по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подано синусоидальное напряжение u₂ = U_2msinwt, к другой – подключен нагрузочный резистор R_н. При положительных значениях напряжения u₂ вентили VD1 и VD3 открыты, и в цепи трансформатор – вентиль VD1 – резистор R_н – вентиль VD3 протекает ток (рис. 1.4, б). В этот интервал времени u_н = u₂, а к закрытым вентилям VD2 и VD4 напряжение u₂ будет приложено как обратное. При отрицательных значениях u₂ вентили VD1 и VD3 закрыты, а VD2 и VD4 – открыты. Протекающий в цепи трансформатор – VD2 – R_н – VD4 ток отрицателен для трансформатора, но положителен для нагрузочного резистора.

Периодическое повторение этих процессов определяет несинусоидальное напряжение нагрузки u_н, равное (рис. 1.4, б).

Постоянная составляющая этого напряжения вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении

U_{н ср} = U_{н max}.

Учитывая соотношения напряжений и токов, получим выражения для выбора напряжения трансформатора U₂ и вентилей в схему выпрямителя:

U_{н ср}= U₂ = 0,9U₂; U₂ = 1,11U_{н ср};

I_{пр max} 0,5I_{н ср}; U_{обр max} U_2m = U_{н ср} .

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет то преимущество, что средний выпрямленный ток I_{н ср} и напряжение U_{н ср} вдвое больше, а пульсации напряжения и тока значительно меньше, p = 0,67, вентили в схеме выбираются по меньшим обратным напряжениям и по половине тока нагрузки, трансформатор имеет хорошие условия работы. Применяется в устройствах малой и средней мощности (от единиц до сотен ватт).

Трехфазный мостовой выпрямитель содержит шесть вентилей (рис. 1.5, а), предложен в 1923 году А. Н. Ларионовым. Полагаем, что потенциал нейтральной точки трансформатора n равен нулю, тогда диаграмма напряжений u_a, u_b, u_c является диаграммой потенциалов j точек а, b, с (рис. 1.5, б). В любой момент времени в цепи, включающей резистор R_н и два вентиля, протекает ток. Например, в интервале времени t₁...t₂ возникает ток в цепи вентиль VD1 – резистор R_н – вентиль VD4; в интервале t₂...t₃: VD1 – R_н – VD6. Ток в группе вентилей VD1, VD3, VD5 может протекать только через один из них, подключенный к точке а, b или с, той, котораяимеет наиболее высокий потенциал. Два других вентиля закрыты, и проводящий вентиль обеспечивает потенциал точки k , равный наиболее высокому из потенциалов точек а, b или с (рис. 1.5, б). В группе вентилей VD2, VD4, VD6 ток протекает через один из них, подключенный к точке а, b или с, имеющей наиболее низкий потенциал. Тогда потенциал точки m равен наиболее низкому потенциалу точек а, b или с (огибающая j_m рис. 1.5, б).

Направление токов в R_н остается одинаковым, а выпрямленное напряжение u_н является разностью потенциалов точек k и m и определяется огибающими диаграммы u_а, u_b, u_с (рис. 1.5, б). Напряжение u_н имеет малую пульсацию p = 0,057, его постоянная составляющая

.

Амплитуда линейного напряжения трансформатора U_2m = U₂ = = U_{н max} (рис. 1.5, б) и соотношение между U_{н ср} и действующим значением линейного напряжения трансформатора

.

Так как ток в каждом вентиле протекает 1/3 периода, то выбор вентиля осуществляется по 1/3 тока нагрузки: I_{пр max} I_{н ср}/3.

Выбор вентиля по обратному напряжению выполняют исходя из максимального напряжения на закрытом вентиле:

U_{обр max} U_2m = U_{н ср} = 1,045 U_{н ср}.

Достоинства выпрямителя: малая пульсация выпрямленного напряжения, p = 0,057, что позволяет отказаться от фильтров; отсутствие подмагничивания постоянным током сердечника трансформатора. Он применяется в устройствах средней и большой мощности.

Реальные трансформаторы и вентили имеют сопротивления. При изменении тока нагрузки I_{н ср} возникают падения напряжения на сопротивлении вторичных обмоток трансформатора и прямом сопротивлении вентилей, в результате чего напряжение на нагрузке уменьшается Зависимость называют внешней характеристикой выпрямителя.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Основными элементами фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Эффективность фильтра характеризуют коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций p₁ до установки фильтра и p₂ – после установки фильтра:

.

Емкостным фильтром служит конденсатор С_ф, подключаемый параллельно нагрузке, при этом напряжение конденсатора u_C = u_н определяется процессами его заряда и разряда. В однополупериодном выпрямителе (рис. 1.3, а) конденсатор С_ф заряжается через вентиль, когда u₂ > u_C (интервал времени t₁...t₂, рис. 1.6, а). Когда u₂ < u_C (интервал времени t₂...t₃), вентиль закрыт и конденсатор разряжается через резистор R_н с постоянной времени

Использование емкостного фильтра целесообразно в условиях R_н >> R цепи заряда. Тогда быстрый процесс заряда конденсатора сменяется медленным его разрядом. Кривая u_C(t) – плавная, с малыми пульсациями.

Временные диаграммы двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром приведены на рис. 1.6, б.

Емкость конденсатора С_ф выбирают из условия:

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период.

Индуктивным фильтром служит индуктивная катушка с параметрами R_ф и L_ф, включаемая последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Несинусоидальное выпрямленное напряжение можно представить гармоническим рядом, состоящим из постоянной составляющей и суммы синусоид различных частот. Индуктивность L_ф не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, а полное сопротивление цепи для гармоник тока
возрастает с ростом номера гармоники k. Если R_ф << R_н и wL_ф >> R_н, то при включении фильтра постоянная составляющая тока почти не изменяется, а переменные составляющие значительно меньше, и пульсации тока нагрузки, а значит, и напряжения u_н , уменьшаются.

Более эффективное сглаживание выпрямленного напряжения получают с помощью Г–образных LC–фильтров (рис. 1.7). Индуктивность катушки L_ф уменьшает переменную составляющую тока, а емкость С_ф, уменьшая эквивалентное сопротивление участка цепи R_н – С_ф, снижает еще больше гармонические составляющие напряжения нагрузки.

В электронных фильтрах вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Использование транзисторов обусловлено тем, что сопротивление промежутка коллектор-эмиттер постоянному току на 2–3 порядка меньше, чем переменному току, и пульсации уменьшаются в 3–5 раз.