Однофазные выпрямители

Для питания электронных устройств требуется энергия постоянного тока. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется в выпрямителе. При анализе работы выпрямительных схем вентили (диоды) и трансформатор полагают идеальными, то есть считают, что сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном бесконечно велико, потери энергии в обмотках трансформатора не происходит.

Однополупериодная схема изображена на рис. 3.1, а, временные диаграммы, поясняющие её работу на активную нагрузку - на рисунке 3.1, б. Ток и напряжение в нагрузке i₀(ωt)и u₀(ωt)имеют пульсирующий характер. Основные электрические параметры однополупериодной схемы выпрямления:

- среднее значение выпрямленного напряжения;

- среднее значение выпрямленного тока;

- максимальный прямой ток вентиля;

- максимальное обратное напряжение на вентиле;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

- типовая мощность трансформатора.

Большие пульсации, низкая частота основной гармоники выпрямленного напряжения (равная частоте сети), большие размеры трансформатора, вызванные плохим использованием его обмоток и вынужденным намагничиванием сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока, а также большое обратное напряжение на вентиле являются существенными недостатками этой схемы, ограничивающими её использование.

Более широкое применение получили двухполупериодные выпрямители (см. рис. 3.2, а, б), схема которых является сочетанием двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. Вентили открываются попеременно на половину периода, поэтому кривая напряжения на нагрузке по величине и форме повторяет положительные полуволны напряжений u₂₁ и u₂₂ вторичных полуобмоток трансформатора. Основные электрические параметры схемы:

.

Снижение типовой мощности и лучшее использование трансформатора объясняется отсутствием вынужденного намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки.

Средние значения выпрямленного тока и напряжения в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей.

Недостаток двухполупериодной схемы заключается в трудности изготовления трансформатора с двумя симметричными полуобмотками.

Этого недостатка лишена мостовая схема выпрямления (рис. 3.3, а). В течение первого полупериода напряжения U₂ вентили VD1 и VD3 открыты и в нагрузочном резисторе возникает ток I₀ . В это время вентили VD2 и VD4 закрыты. В другой полупериод напряжения вентили VD1 и VD3 закрываются, а VD2 и VD4 открываются. Ток по нагрузке протекает в том же направлении, что и в первый полупериод.

Временные диаграммы работы мостового выпрямителя имеют тот же вид, что и диаграммы работы двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом. Исключение составляет зависимость u_a(wt), поскольку между анодом и катодом вентиля в непроводящем направлении приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора, то есть U_{обр max} уменьшается в два раза:

.

Типовая мощность трансформатора в мостовой схеме меньше, чем в других схемах:

.

Величины выпрямленных напряжений и тока, а также коэффициента пульсаций имеют то же значение, что и в двухполупериодной схеме с нулевым выводом.

Ввиду того, что коэффициент пульсаций напряжения, питающего электронные устройства, не должен превышать 10^-4_ 10^-7, полученное непосредственно с выпрямителя напряжение использовать нельзя. Для уменьшения пульсаций напряжения применяют сглаживающие фильтры (ФНЧ), состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности.

Емкостный фильтр включается параллельно (на рис. 3.3 ключ К замкнут) и шунтирует нагрузку для переменной составляющей тока.

Временные диаграммы, поясняющие работу мостового выпрямителя на активно-емкостную нагрузку, приведены на рис. 3.3, б. Ток в вентилях VD1 и VD3 протекает в интервале времени t_1­ - t₂, в результате чего конденсатор заряжается до напряжения, близкого к U_2m . В течение времени t₂ - t₃ напряжение u_c>u₂ , все вентили закрыты, а конденсатор разряжается через R_н. с постоянной времени τ_р= С·R_н. В момент времени t₃ напряжение u_c становится меньше u₂ , вентили VD2 и VD4 открываются, конденсатор С начинает заряжаться и процессы повторяются.

Среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается, но также возрастает обратное напряжение на вентиле до величины

.

Индуктивный фильтр включается последовательно с нагрузкой (на рис. 3.2, а, ключ К разомкнут) и представляет большое сопротивление для переменной составляющей тока, в результате чего переменная составляющая выпрямленного тока значительно уменьшается и падение напряжения от этой составляющей на сопротивлении нагрузки R_н становится незначительным.

Следует иметь в виду, что напряжение u₀ действует на фильтре и нагрузке R_н, а форма кривой напряжения на активном сопротивлении нагрузки совпадает с формой кривой тока i₀ (рис. 3.4, а). ЭДС самоиндукции, возникающая в фильтре, препятствует нарастанию и снижению тока, в результате чего в однополупериодной схеме протекание тока через вентиль происходит и в течение некоторой части отрицательного полупериода. Во время протекания тока через вентиль u₀ = u₂, а напряжение на вентиле u_a=0 В момент прекращения протекания тока в цепи u_a возрастает скачком до U_{обр 0}. В дальнейшем u_a по форме повторяет u₂. Пульсации тока в нагрузке практически не уменьшаются, поэтому в однополупериодных выпрямителях катушка индуктивности в качестве фильтра не применяется.

Эффективнее индуктивный фильтр работает в двухполупериодных выпрямителях. Импульсы тока, проходящие поочередно через вентили VD1 и VD2, создают в R_н. непрерывный ток. Напряжение на вентиле u_a по форме такое же, как и при активной нагрузке (рис. 3.4, б).

Схема удвоения напряжения приведена на рис. 3.5. Она состоит как бы из двух однополупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно и работающих на общую нагрузку. Первый выпрямитель состоит из вентиля VD1 и конденсатора С1, второй - из вентиля VD2 и конденсатора С2. В течение положительного полупериода С1 заряжается через вентиль VD1 до напряжения U_2m.

Так как конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно, то напряжения на них суммируются и общее напряжение на выходе выпрямителя:

.

Обратное напряжение на каждом из вентилей равно сумме амплитудного значения напряжения u₂ и напряжения на конденсаторе:

.

Так как напряжения на конденсаторах сдвинуты по фазе на половину периода, то суммарное напряжение изменяется с удвоенной частотой, то есть частота основной гармоники выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети. Конденсаторы С1 и С2 - элементы схемы выпрямления, поэтому выпрямитель всегда работает на емкостную нагрузку. Временные диаграммы токов i₁, i₂, напряжений u₀ и u_a такие же, как в мостовой схеме с RC нагрузкой.

Основным преимуществом схемы удвоения перед другими схемами двухполупериодного выпрямления является возможность получения вдвое большего выпрямленного напряжения, чем в схеме с нулевым выводом при одном и том же значении напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора. К числу недостатков схемы удвоения следует отнести большое внутреннее сопротивление, обусловленное тем, что два входящих в схему выпрямителя соединены последовательно.