Выпрямительные устройства

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

  В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.34, а) ток I _н через диод проходит в нагрузку R _н, только в положительные полупериоды напряжения U ₂,так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющая I ₀ представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения, равную (согласно разложению функции в ряд Фурье):

,

где U _{2ma x} и U₂ – амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вто +ричной обмотки трансформатора.

 

_б

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение   U _{обр =} U _2max = πU ₀, поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию U _{обр доп} >   πU₀, а допустимый через диод  ток – условию I _{ср доп} > I₀.

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из четырех диодов, включенных по так называемой мостовой схеме (рис. 2.34, б). Напряжение U₂ в положительный полупериод открывает диоды VD1 и VD3 и от точки А к точке В по цепи   VD–R–VD3 протекает ток нагрузки I_n= I _1,3. При этом диоды VD1 и VD4 заперты. В отрицательный полупериод напряжение U₂ открывает диоды VD1 и VD4 и ток

I_n= I _2,4 течет от точки В к точке A по цепи VD2–R–V–D4, проходя по нагрузке в одном и том же направлении. В этой схеме постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U_o в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

 и

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD2 в положительный полупериод напряжения U₂. При открытом диоде VDI потенциал точки А близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD2. Значит, к диоду VD2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора U _o6р =U_2max, т. е. такое же, как и в однополупериодной схеме. Ток, протекающий через каждый из диодов, I _ср= I_о/2, т.е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пример 3. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (рис. 2.29, б), если необходимо получить мощность в нагрузке Р_о = 600 Вт и напряжение U_o = 115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Р е ш е н и е.Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

U₂=U_о/0,9 =115/0,9 =127 В.

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации К= 220 / 127 = 1,73. Постоянный ток в нагрузке

I₀ = Р₀/ U₀ = 600/115 = 5,2 А.

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых I_ср.доп³ 5,2/2 =2,6 А, а допустимое обратное напряжение

 В.

Трехфазные выпрямители применяют при больших мощностях, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть.

Вторичная обмотка трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке Д, через три диода (рис. 2.35, а). Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. На рис. 2.35, в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке и имеющего значительно меньшие пульсации, чем на схеме рис. 2.34. В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы:

где U_2max и U ₂– амплитудное и действующее значения фазного напряжения, а средний ток через диод I _ср = I ₀/3.

 

В мостовом  трехфазном выпрямителе (рис. 2.35, б) соотношения для чисто активной нагрузки равны

где U_m и U – амплитудное и действующее значения линейного напряжения сети, а средний ток через каждый диод     I _ср = I ₀/3.

Пример 4. Чему равно выпрямленное напряжение мостового трехфазного выпрямителя (рис. 2.29, б), подключенного к сети с линейным напряжением U = 380 В, и на какое обратное напряжение должны быть рассчитаны диоды?

Р е ш е н и е.Постоянное напряжение равно U₀ =1,35 380 =513 В и диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение

U _обр =U_max=√2U= √2∙380=537 В.

Сглаживающие фильтры

 

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя В параллельно нагрузке (рис. 2.36, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 2.36, б показана форма напряжения на конденсаторе U _с(а значит, и на параллельно включенном R _н) при двухполупериодном выпрямителе. Для дальнейшего снижения пульсаций применяют Г -образные LC -фильтры (рис. 2.36, в).

Индуктивное сопротивление X_L = wL _фстремятся сделать значительно больше R _ндля того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной w и выше «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X _L,не достигая нагрузки. Емкостное же сопротивление Х _с= 1/ wС _ф выполняют значительно меньше, чем R _н, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х _сминуя R _н. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, Х _с= ¥, не создает падения напряжения на L _фи не замыкается через С _ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC -фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении. Поэтому в интегральных микросхемах при токах нагрузки в несколько миллиампер используют RC -фильтры (рис. 2.36, г), несмотря на их несколько худшие сглаживающие свойства и меньшие КПД.