Сведения из теории

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное, чаще синусоидальное, напряжение в постоянное. Выпрямитель включает в себя следующие элементы (рисунок 9.1): силовой трансформатор (Т), вентили (В), сглаживающий фильтр (Ф).

Основным элементом выпрямителя является вентиль (диод, тиристор) представляющий собой нелинейный элемент. Наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды, представляющие собою кристалл полупроводника (кремния, германия или селена), в котором два слоя с различным типом проводимости (слой р — с дырочной проводимостью слой n — с электронной проводимостью) образуют электронно-дырочный р–n-переход. К каждому слою припаиваются металлические проводники, благодаря которым диод можно включить в электрическую цепь. Слой р называется анодом, слой n — катодом. Диод обладает односторонней проводимостью, т.е. его сопротивление мало в одном (прямом) направлении и велико в другом (обратном) направлении.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода и его условное графическое обозначение, расположение слоев анода (А) и катода (К) приведены на рисунке 9.2. Для указанных направлений положительные ток и напряжение называют прямыми, отрицательные — обратными.

Основными параметрами диодов являются номинальный прямой ток (постоянная составляющая — I_ном) и максимально допустимое обратное напряжение U_обрmax. Превышение их приводит к разрушению р–n-перехода.

Рисунок 9.1 — Структурная схема неуправляемого выпрямителя

Наибольшее распространение получили следующие выпрямители: однофазный однополупериодный, однофазный двухполупериодный, трехфазный мостовой (схема Ларионова).

Рисунок 9.2 — Вольт-амперная характеристика диода.

При анализе работы выпрямителей будем считать диоды идеальными, т.е. их сопротивление в прямом направлении равно нулю, в обратном — бесконечности. Электрическая схема однофазного однополупериодного выпрямителя и эпюры напряжений и токов, характеризующие его работу без сглаживающего фильтра и с простейшим ёмкостным фильтром, приведены на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3 —Схема однофазного однополупериодного выпрямителя
и эпюры напряжения для нее

Предположим, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора является синусоидальным, т.е. U₂ = U_2msinωt. При положительном полупериоде этого напряжения диод VD открыт и в резисторе нагрузки R_н протекает прямой ток i_н = U_2m/R_нsinωt. При этом напряжение на нагрузке U_н = U₂ = U_2msinωt. Падение напряжения на вентиле сравнительно мало, т.к. сопротивление его в прямом направлении R_в.пр << R_н.

При отрицательных значениях U₂ диод закрыт, его сопротивление R_в.обр >> R_н, поэтому U_н мало, и падение напряжения на вентиле U_в = U₂.

Периодическое повторение этих процессов формирует на нагрузке несинусоидальное выпрямленное пульсирующее напряжение U_н, постоянная составляющая которого (среднее значение выпрямленного напряжения) определяется по формуле:

.

Учитывая, что действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора , получим ≈ 0,45U₂.

Главным недостатком такого выпрямителя является большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения p, который представляет собой отношение амплитуды первой гармоники U_1mк постоянной составляющей выпрямленного напряжения U_нср, т.е.

.

В этой формуле учтено, что при разложении полусинусоиды в ряд Фурье U_н1 = U_нmax/2.

Вторым недостатком такого простейшего выпрямителя является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током. Поэтому они применяются сравнительно редко для питания цепей малой мощности (10–15 Вт) высокого напряжения, например электронно-лучевых трубок. Отмеченных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители.

Схема двухполупериодного выпрямителя и эпюры, поясняющие ее работу, приведены на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4 — Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки
и эпюры напряжения, поясняющие принцип ее работы

Этот выпрямитель имеет уже два вентиля — VD1 и VD2, включенных между вторичной обмоткой трансформатора и сопротивлением нагрузки.

Вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Диоды работают поочередно в течение того полупериода, при котором на аноде устанавливается положительное напряжение. Во время положительного полупериода открыт диод VD1 и через него и R_н протекает ток i₁. Во время отрицательного полупериода VD1 закрывается, а открывается VD2 и через него и R_н протекает i₂. Таким образом, на нагрузке будет также пульсирующее напряжение, действующее в каждый полупериод синусоиды, т.е. U_н = │U₂│ = │U_2msinωt│.

В двухполупериодном выпрямителе среднее выпрямленное напряжение U_нср вдвое больше, а пульсации р значительно меньше по сравнению с однополупериодным (U_нср = 0,9U₂, р = 0,67).

Рассмотренная схема двухполупериодного выпрямителя требует специального трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке.

Это усложняет схему и уменьшает КПД выпрямителя, поэтому большее распространение получил однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель (рисунок 9.5).

Рисунок 9.5 — Мостовая схема выпрямления

Такой выпрямитель содержит четыре вентиля — VD1…VD4, включенных по мостовой схеме. К одной диагонали моста подано синусоидальное напряжение, а к другой подключена нагрузка. Во время положительного полупериода U₂ открыты вентили VD1 и VD4 и протекает ток i₂+ от верхнего выхода трансформатора (от плюса) к нижнему (к минусу). Вентили VD2 и VD3 будут закрыты, т.к. у них на катодах будет положительное напряжение. Во время отрицательных полупериодов U₂, т.е. когда внизу на трансформаторе будет (+), а вверху (–), открываются VD2 и VD3 (у них на анодах положительное напряжение), а VD1 и VD4 закрываются. По выпрямителю протекает ток i₂–, который по нагрузке будет протекать в том же направлении, что i₂+. Эпюры, поясняющие принцип работы этого выпрямителя, такие же, как и для двухполупериодного (см. рисунок 9.4). Мостовой выпрямитель имеет такие же значения параметров, как и обычный двухполупериодный (U_нср = 0,9U₂, р = 0,67), но КПД у мостового в два раза выше и может достигать 80 %.

В трехфазных цепях чаще всего используется трехфазный мостовой выпрямитель, предложенный в 1923 году А.Н. Ларионовым. Электрическая схема такого выпрямителя представлена на рисунке 9.8 при включенных ключах SA1 и SA2. Эпюры, поясняющие работу, — на рисунке 9.6. В схеме Ларионова шесть вентилей — VD1...VD6, три из них (VD1, VD3 и VD5) подключены катодами к нагрузке, оставшиеся три (VD2, VD4 и VD6) — анодами к нагрузке. Вторичная обмотка трансформатора может включаться треугольником или звездой без нейтрального провода. Такой выпрямитель выпрямляет линейное напряжение. В каждый момент времени работают (включены) два диода (вентиля): один, у которого анод находится под наибольшим напряжением, второй, у которого катод находится под наименьшим напряжением. Например, в интервале времени t₁–t₂ (см. рисунок 9.6) максимальное значение напряжения будет в точке А (U_А — max), а минимальное — в точке В (U_В — min), поэтому ток потечет по цепи: a(+)–VD1–k–R_н–m–VD4–n–b(–). В интервале времени t₂–t₃ максимальное напряжение сохраняется в точке А (U_A — max), минимальное в момент времени t₂ перейдет в точку С (U_C — min), поэтому возникнет ток по цепи: а(+)–VD1–k–R_н–m–VD6–l–c(–). В интервале t₃–t₄ максимальное напряжение в трехфазной системе (рисунок 9.6) перейдет в точку В (U_b — max), а минимальное пока останется в точке С (U_С — min). Ток будет течь по цепи: b(+)–n–VD3–k-R_н–m–VD6–l–с(–). И так далее будет продолжаться. Направление токов в R_н остается одинаковым, а выпрямленное напряжение U_н является разностью потенциалов точек k и m и определяется огибающими графиков U_A, U_B, U_C (рисунок 9.6). За один период синусоидального напряжения будет шесть импульсов, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения

.

Амплитуда линейного напряжения трансформатора , где U₂ — действующее значение линейного напряжения во вторичной обмотке трансформатора. Учитывая это, получим

U_нср ,

т.е. среднее значение выпрямленного напряжения будет в 1,35 раза больше действующего значения выпрямляемого напряжения. Выпрямленное напряжение U_н будет иметь малые пульсации первой гармоники U_н1 относительно U_нср, поэтому коэффициент пульсаций p = 0,057. Малые пульсации позволяют в таком выпрямителе обойтись без фильтра.

Реальные трансформаторы и вентили имеют сопротивления, поэтому при протекании тока через нагрузку I_нср возникают падения напряжения на сопротивлении вторичной обмотки трансформатора R_т и прямом сопротивлении вентиля R_пр и напряжение на нагрузке уменьшается, т.е.

U_нср = U_нср – (R_пр+R_т)I_нср,

где U_нср — напряжение холостого хода.

Зависимость U_нср = f(I_нср) называется внешней характеристикой выпрямителя.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Основными элементами фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности (дроссели) и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов.

Эффективность фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания

q = P_вх / P_вых ,

где Р_вх и Р_вых — коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.

Рисунок 9.6 — Схема трехфазного мостового выпрямителя и эпюры его работы.

Простейшим является ёмкостной фильтр, который создается включением конденсатора С_ф параллельно нагрузке. Принцип действия такого фильтра заключается в периодическом заряде и разряде конденсатора. Конденсатор С_ф заряжается через вентили, когда U₂ > U_с, и разряжается при U₂ < U_с через R_н, когда вентили закрыты (см. эпюры на рисунках 9.3 и 9.4). Такой фильтр целесообразно использовать, если R_н >> R цепи заряда, включающее прямое сопротивление вентиля (вентилей) и сопротивление вторичной обмотки трансформатора. В этом случае С_ф заряжается сравнительно быстро, т.к. постоянная заряда конденсатора τ =С_фR мала. Разряжается С_ф сравнительно долго, т.к. постоянная разряда τ = С_фR_н велика. Ёмкость конденсатора фильтра С_ф выбирают по условию:

Х_с = << R_н, откуда С_ф >> .

Индуктивным фильтром является катушка индуктивности с параметрами R_ф и L_ф, включаемая последовательно нагрузке R_н (рисунок 9.7).

Рисунок 9.7 — Схема выпрямителя с ёмкостным фильтром

Несинусоидальное выпрямленное напряжение можно представить гармоническим рядом, состоящим из постоянной составляющей и суммы синусоид различных частот. Индуктивность не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, а полное сопротивление k-гармоники определяется по формуле:

,

где ω = 2πf — круговая частота;

f — частота выпрямляемого синусоидального тока;

k — номер гармоники.

Видим, что с ростом номера гармоники k сопротивление Z_k увеличивается. Индуктивный фильтр используется, когда R_н >> R_ф, а ωL_ф >> R_н. В этом случае при включении фильтра постоянная составляющая тока почти не изменяется, а переменная составляющая значительно уменьшается, поэтому пульсации тока нагрузки и напряжения уменьшаются.

Более эффективными являются фильтры с одновременным включением L_ф и С_ф, т.е. Г-образные LС-фильтры (рисунок 9.7) и П-образные LС-фильры. Недостатком индуктивного фильтра является его громоздкость и вес.

В электронных фильтрах вместо катушки индуктивности включают транзисторы. Это обусловлено тем, что сопротивление промежутка коллектор–эмиттер транзистора постоянному току в 100…1000 раз меньше, чем переменному току, поэтому пульсации уменьшаются в 95 раз.