Выпрямительные устройства

Однополупериодный выпрямитель. Выпрямители входят во все структурные схемы источников электропитания, если на выходе требуется напряжение постоянного тока.

Наиболее простой является схема однополупериодного выпрямителя (рис. 40, а). В этой схеме ток через вентиль и сопротивление нагрузки проходит только в положительные полупериоды напряжения, создаваемого вторичной обмоткой трансформатора, в отрицательные это напряжение запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет импульсный характер, а его постоянная составляющая I₀ представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения (как известно из разложения в ряд Фурье):

где U_1m, U₂— амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки.

По заданному U₀ найдем U₂ и вычислим коэффициент трансформации, т. е. отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток трансформатора w₁/w₂=U₁/U₂, необходимый для его проектирования.

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение

т. е. в 3 с лишним раза больше, чем постоянное напряжение U₀, поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию U_{обр доп}³pU₀, а допустимый прямой ток — условию I_{ср доп}³I₀.

Коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя k_п=U_пm/U₀, где U_пm — амплитуда первой гармоники напряжения на нагрузке, равен k_п=(p|2)U₀»1,57>U₀, т. е. относительно велик. Кроме того, действующее значение тока, определяющее нагрев обмоток трансформатора, I₂=(p/2)I₀»1,57I₀, т. е. значительно выше, чем выпрямленный ток нагрузки, а следовательно, трансформатор должен иметь завышенную мощность.

Рис. 40. Выпрямители однофазного напряжения:

а — однополупериодный; б – двухполупериодный со средней точкой;

в – двухполупериодный мостовой

Двухполупериодный выпрямитель. Если трансформатор выполнить с выводом от средней точки двух его вторичных обмоток, то можно осуществить двухполупериодное выпрямление по схеме рис. 40, б. В положительный полупериод к нагрузке через диод Д₁ подается напряжение верхней вторичной обмотки, а в отрицательный — через диод Д₂ нижней обмотки , поэтому ток i_н протекает в оба полупериода. В этой схеме постоянная составляющая тока I₀ и напряжения U₀ на нагрузке в 2 раза выше, чем в однополупериодной:

Оценим обратное напряжение на диоде. Когда проводит диод Д₁, потенциал точки А' почти не отличается от потенциала точки А и, следовательно, к запертому в этот полупериод диоду Д₂ приложено обратное напряжение, равное разности потенциалов между точками А и В, наибольшее значение которого равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки U_обр=2U_2m. Обратное напряжение:

т. е. такое же, как в однополупериодном выпрямителе, а ток, протекающий через каждый из диодов, I_ср=I₀/2, т. е. в 2 раза меньше.

Действующее значение тока, протекающего по вторичным обмоткам трансформатора, I₂ = 0,785I₀ тоже в 2 раза меньше, что позволяет уменьшить его массу и габаритные размеры, несмотря на две вторичные обмотки.

Коэффициент пульсаций двухполупериодной схемы k_П=0,67, что свидетельствует о более сглаженной форме выпрямленного напряжения, которое легче поддается фильтрации.

Можно получить еще один вариант двухполупериодного выпрямителя, если применить мостовую схему выпрямления (рис. 40, в), образованную четырьмя диодами Д₁—Д₄. Напряжение вторичной обмотки в положительный полупериод открывает диоды Д₁ и Д₃ и от точки А к точке В по цепи Д₁-R_н-Д₃ протекает ток i_1,3. В отрицательный полупериод напряжение U₂ открывает диоды Д₂ и Д₄ и ток i_2,4 течет от точки В к точке А по цепи Д₂-R_н-Д₄, проходя по сопротивлению нагрузки в одном и том же направлении. Форма тока i_н и напряжения U_н на нагрузке такая же, как в схеме б, поэтому постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U₀ и другие параметры совпадают.

Различия схем рис. 40, б, в относятся к обратному напряжению на диодах и действующему току, протекающему по вторичной обмотке.

Найдем обратное напряжение, например, на диоде Д₂. При открытом диоде Д₁ потенциал точки А' близок к положительному потенциалу точки А обмотки, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода Д₂. К нему подведено обратное напряжение с наибольшим значением, равным амплитуде напряжения вторичной обмотки U_oбр=U_2m, т. е. в 2 раза меньше, чем в схеме выпрямителя со средней точкой.

Так как по вторичной обмотке протекает синусоидальный ток, его действующее значение связано с током нагрузки коэффициентом формы для синусоиды, т. е. I₂= 1,11I₀.

Трехфазные выпрямители. Эти выпрямители применяют для питания нагрузки большой мощности, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть. В источниках, выполненных по структурной схеме рис. 39, а, они представляют собой трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого может быть соединена как звездой, так и треугольником, а вторичная — звездой с нулевым проводом, и три диода, соединенных, как показано на рис. 41, а.

Ток через каждый диод проходит в течение 1/3 части периода, когда напряжение вторичной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. Эти участки на рис. 40, б выделены жирной линией, определяющей форму выпрямленного напряжения, пульсации которого значительно меньше, чем у однофазных двухполупериодного (см. рис. 40, б) и тем более однополупериодного (см. рис. 40, а) выпрямителей.

Рис. 41. Трехфазные выпрямители

Основные соотношения для трехфазного выпрямителя с чисто ак­тивной нагрузкой:

выпрямленные напряжения и ток

среднее значение тока диода I_ср=I₀/3, обратное напряжение U_обр=U_2m=2,09U₀; коэффициент пульсаций k_п»0,25.

7. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Как правило, для питания электронной аппаратуры допускается очень малая пульсация напряжения (от одного процента для цифровых устройств до сотых долей процента и меньше для другой аппаратуры), на выходе же выпрямительных схем пульсации во много раз больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры с необходимым коэффициентом сглаживания q=k_п/k^|_п где k_п и k^|_п — коэффициенты пульсаций до и после фильтра. Фильтр должен максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Для снижения пульсаций напряжения достаточно параллельно нагрузке включить конденсатор (рис. 42, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и разряжается на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 42, б, в показаны формы напряжения на нагрузке при однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях.

Рис. 42. Сглаживающие фильтры

Значение емкости, обеспечивающей пульсацию, не превышающую 10%, можно определить по приближенным формулам: С₀»50I₀/U₀ — для однополупериодной и С₀»25I₀/U₀ — для двухполупериодных схем выпрямления. Здесь С₀ — в мкФ, I₀ — в мА, U₀ —в В.

Для дальнейшего снижения пульсаций применяют Г-образные LС-фильтры (рис. 42, г). Индуктивное сопротивление x_L=wL_ф стремятся сделать значительно больше R_н, а емкостное сопротивление x_С=1/wС_ф — значительно меньше R_н для того чтобы переменная составляющая выпрямленного тока замыкалась через С_ф, минуя R_н. Постоянная же составляющая тока через С_ф не проходит и целиком поступает в нагрузку. При этом для постоянной составляющей x_L=0 и падение напряжения от постоянной составляющей тока на индуктивности (обмотке) фильтра обусловлено лишь незначительным омическим сопротивлением провода обмотки.

Произведение L_фС_ф (Гн мкФ) определяют по формуле

где q —желаемый коэффициент сглаживания; f — частота сети, Гц; m= 1 и m = 2 для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

Для лучшего сглаживания можно использовать двухзвенные фильтры (рис. 42, д), в которых q=q₁q₂.

Недостатком LС-фильтров является громоздкость дросселя и сложность его изготовления интегральной технологией. Эти недостатки устраняются в RС-фильтре (рис. 40, е). Однако их целесообразно применять только при токах I₀, не превышающих 10—15 мА, потому что на R_ф происходит падение напряжения как от переменной, так и от постоянной составляющих тока, что при больших токах I₀ резко снижает не только напряжение на выходе фильтра, но и его КПД. Подбор параметров фильтра можно производить по формуле

Дата добавления: 2014-01-06