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...3 T /2)
u _н = u ₂ = U _2msinw t; u _в = 0 (рис. 1.3, б). При отрицательных значениях u ₂ вентиль VD закрыт, его сопротивление бесконечно велико, значит, u _н = 0; u _в = u ₂ = U _2msinw t.

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}= U ₂/p = 0,45 U ₂ или U ₂ = 2,22 U _{н ср}.

Для надежной работы вентили выбирают из условий: , U _{обр max} ≥ U _2m = p U _{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 двухполу-периодные выпрямители.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
(рис. 1.4, а) содержит четыре вентиля VD 1... VD 4, включенных по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подано синусоидальное
напряжение u ₂ = U _2msinw t, к другой – подключен нагрузочный резистор R _н. При положительных значениях напряжения u ₂ вентили VD 1 и VD 3 открыты, и в цепи трансформатор – вентиль VD 1 – резистор R _н – вентиль VD 3 протекает ток (рис. 1.4, б). В этот интервал времени u _н = u ₂, а к закрытым вентилям VD 2 и VD 4 напряжение u ₂ будет приложено как обратное. При отрицательных значениях u ₂ вентили VD 1 и VD 3 закрыты, а VD 2 и VD 4 – открыты. Протекающий в цепи трансформатор – VD 2 – R _н – VD 4 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 U ₂ и вентилей в схему выпрямителя:

U _{н ср}= U ₂ = 0,9 U ₂; U ₂ = 1,11 U _{н ср};

I _{пр max} 0,5 I _{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 t ₁... t ₂ возникает ток в цепи вентиль VD 1 – резистор R _н – вентиль VD 4; в интервале t ₂... t ₃: VD 1 – R _н – VD 6. Ток в группе вентилей VD 1, VD 3, VD 5 может протекать только через один из них, подключенный к точке а, b или с, той, которая имеет 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 VD 2, VD 4, VD 6 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 = U ₂ = = 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 p ₁ до установки фильтра и p ₂ – 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 u ₂ > u_C (интервал времени t ₁... t ₂, рис. 1.6, а). Когда u ₂ < u_C (интервал времени t ₂... t ₃), 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 w L _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.