Выпрямление переменного тока

Выпрямители – это электротехнические устройства, которые служат для преобразования синусоидального напряжения и тока в постоянное напряжение и ток.

По числу фаз источника синусоидального напряжения различают однофазные и трехфазные выпрямители.

Если в выпрямителе предусмотрена возможность регулирования величины выпрямленного напряжения, его называют регулируемым. В нерегулируемых выпрямителях в качестве основных элементов, обеспечивающих процесс выпрямления, используются полупроводниковые диоды.

Для уяснения принципа работы выпрямителя рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.24. Напряжение на входе схемы

u = U_m sin ωt . (2.44)

Рис. 2.24 – Простейшая схема выпрямления переменного тока

Амплитуда входного напряжения U_m велика. ВАХ полупро-водниковых диодов для режима работы при большом входном колебании может быть заменена отрезками прямых линий (кусочно-линейная аппроксимация), как показано на рис. 2.24.

Аналитически такую ВАХ записывают в виде:

i = 0 при u < 0;

i = S₀ u при u > 0, (2.45)

где S₀ – крутизна ВАХ, постояннаяна заданном участке изменения напряжения u. Величина S₀ имеет размерность проводимости (1/Ом).

Аналитическая запись ВАХ (9.9) отражает главное свойство полупроводникового диода – его одностороннюю проводимость. При прямом включении (u > 0) его проводимость равна S₀ , при обратном включении (u ˂ 0), проводимость диода равна нулю.

Графическое отображение процесса протекания тока i(t) через диод VD1 в простейшем выпрямителе представлено на рис. 2.25.

Рис. 2.25 - Графическое отображение процесса выпрямления переменного тока

Благодаря односторонней проводимости диода через него проходят только положительные полуволны тока. Форма тока существенно отличается от формы приложенного напряжения. Ток представляет периодическую последовательность импульсов синусоидальной формы. Аналогичную форму будет иметь напряжение на сопротивлении нагрузки R_H.

Исходя из предыдущих рассуждений, можно заключить, что качество выпрямления переменного тока в простейшей схеме выпрямления (Рис. 2.24) низкое. Ток и напряжение на сопротивлении нагрузки R_H нельзя назвать постоянными.

Как улучшить качество выпрямления?

Ответ на данный вопрос позволяет найти рассмотрение частотного спектра тока. Частотный спектр периодической последовательности импульсов тока синусоидальной формы можно представить в виде ряда:

(2.46)

где - постоянная составляющая тока (колебание с частотой ω = 0).

В спектре тока будут также присутствовать колебания с частотами, кратными частоте повторения импульсов: ω, 2 ω, 3 ω и так далее (2.46). Наличие этих колебаний и приводит к снижению качества выпрямления. «Очистить» постоянный ток на выходе диода от мешающих колебаний можно с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Простейшим ФНЧ может являться конденсатор С_Ф, подключенный параллельно сопротивлению нагрузки R_H (Рис. 2.26, а).

Рис. 2.26 – Выпрямитель с ФНЧ:

а) – схема выпрямителя; б) – графики токов

При подключенном к нагрузке конденсаторе С_Ф ток через нагрузку i_Н уже не будет иметь вид импульсов (Рис. 2.26, б). Во время протекания тока i_Д через диод конденсатор С_Ф будет заряжаться и ток, протекающий через сопротивление нагрузки R_H , будет отличаться от импульсного. При уменьшении тока i_Д и при его отсутствии ток i_Н будет поддерживаться за счет разряда конденсатора С_Ф. Ток в нагрузке будет пульсирующим. Уровень пульсаций будет тем меньше, чем больше будет произведение R_H С_Ф, то есть постоянная времени цепи нагрузки. Если уровень пульсаций при некотором заданном значении сопротивления R_H требуется уменьшить, то тогда необходимо увеличивать емкость конденсатора С_Ф.

Более качественное сглаживание пульсаций выходного напряжения в выпрямителях обеспечивают электронные схемы стабилизации этого напряжения (Рис. 2.27).

Рис. 2.27 – Выпрямитель с электронной стабилизацией: VD1 … VD4 – полупроводниковые диоды, включенные по мостовой схеме; VD5 – стабилитрон; CФ – конденсатор фильтра; VT1 –транзистор; RОГР – ограничительный резистор; RН –сопротивление нагрузки

Выпрямитель с электронной стабилизацией имеет улучшенную нагрузочную характеристику, которая в рабочем диапазоне практически не имеет наклона.

Трансформаторы