Выпрямители и фильтры

Выпрямители – это устройства на основе диодов, тиристоров и (или) транзисторов, преобразующие напряжения и токи переменного знака в пульсирующие напряжения и токи. Пульсирующие напряжения и токи изменяются во времени, но имеют постоянный знак.

Для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока применяют различные фильтры. Очень часто такой фильтр – это просто один конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. Для подавления пульсаций тока нагрузки последовательно с ней включают катушку индуктивности. Этот способ применяется реже. Бывают также сложные LC –фильтры, полученные соединением нескольких катушек и конденсаторов. Фильтры не только подавляют пульсации напряжения и тока нагрузки, но также увеличивают действующее и среднее значение напряжения и тока нагрузки.

Рассмотрим схемы диодных выпрямителей. Напряжения источников будем считать синусоидальными – этот случай чаще всего встречается на практике.

Рис. 2.1. Однополупери– одный выпрямитель.

Рис.2.2. Однополупериодный выпрямитель с конденсатором.

Рис. 2.3. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.1.

Однополупериодный выпрямитель – это просто один диод (рис. 2.1).

Однополупериодное выпрямление применяется, если для нагрузки не имеют значения пульсации напряжения (например, для электрических печей), или если его пульсации можно легко подавить фильтрами (обычно в случае высокочастотных напряжений и токов).

Рис. 2.4. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.2. C = 10 мкФ, R = 2 кОм.

Достоинство однополупериодного выпрямителя, помимо его простоты – малое падение напряжения, так как между источником и нагрузкой включен всего один диод.

Действующее напряжение нагрузки в 2 раза меньше действующего значения напряжения источника, так как в среднем половину времени источник отключен от нагрузки (прямое напряжение на диоде здесь не учитываем).

Половинки синусоиды на рис. 2.3. соответствуют открытому состоянию диода, в это время источник питает нагрузку. Горизонтальные части кривой рис. 2.3. соответствуют закрытому состоянию диода.

Восходящие части кривой рис. 2.4 – кусочки синусоиды, они соответствуют открытому состоянию диода. В это время источник питает нагрузку и заряжает конденсатор. Нисходящие части кривой рис. 2.4 – кусочки экспонент, они соответствуют закрытому состоянию диода. В это время конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки.

Рис.2.5. Двухполупериодный выпрямитель.

.

Рис. 2.7. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.5.   Рис. 2.8. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.6.

Для выпрямления однофазных напряжений и токов чаще всего применяется двухполупериодный выпрямитель (диодный мост, рис. 2.5.). Он позволяет использовать оба периода источника напряжения, поэтому действующее значение

напряжения нагрузки равно действующему значению напряжения источника (если не учитывать прямые напряжения диодов). В зависимости от знака напряжения источника попарно открываются диоды VD ₁, VD ₄ или VD ₂, VD ₃, проводя ток источника к нагрузке.

К двухполупериодному выпрямителю также подключают фильтры для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и увеличения его среднего и действующего значения (рис. 2.6).

Рис. 2.9. Трехфазный выпрямитель.

Как и на рис. 2.4, восходящие участки кривой на рис. 2.8. – кусочки синусоиды, они соответствуют открытому состоянию пары диодов. В это время источник питает нагрузку и заряжает конденсатор. Нисходящие участки – кусочки экспоненты, они соответствуют закрытому состоянию всех диодов. В это время конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки.

Рис. 2.10. Напряжение нагрузки для схемы рис. 2.9.

Для выпрямления трехфазного напряжения обычно применяется мостовой выпрямитель (схема Ларионова, рис. 2.9.). На один период питающего напряжения приходится 6 пульсаций выпрямленного напряжения, поэтому выпрямитель называется еще 6–пульсным.

Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения у него намного меньше, чем у двухполупериодного и еще меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.

Для дальнейшего уменьшения пульсаций применяют комбинации двух и более трехфазных выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам трансформатора с различными фазами напряжений.

В заключение рассмотрим схемы Г–образного и П–образного LC –фильтров (рис. 2.11, 2.12). Они могут применяться в сочетании с любыми выпрямителями. Они подавляют пульсации выпрямленного напряжения лучше, чем один конденсатор, но катушки индуктивности довольно тяжелы и громоздки, поэтому такие фильтры применяются только при необходимости.

Рис. 2.11. Г–образный LC –фильтр.

Рис. 2.12. П–образный LC –фильтр.