4.6. Силовые выпрямители

Вентильные преобразователи переменного тока в постоянный называют выпрямителями. Они играют большую роль в технике, так как производство и распределение электрической энергии экономичней организовать на переменном токе, а многие виды устройств (компьютеры, контроллеры, осциллографы, мониторы, аудио-видео техника и т.д.) требуют для своей работы постоянный ток. Именно по этому их часто называют источниками питания.

Выпрямители применяют не только в силовых установках, но и в измеритель­ных и управляющих цепях информационных, вычислительных и управленческих систем.

Напряжение сети переменного тока рассчитано на наиболее экономичную пере­дачу энергии на значительные расстояния и многим потребителям, а последним необходимы весьма разнообразные напряжения питания. Поэтому составной частью выпрямителей являются трансформаторы (понижающие или повышающие), которые с высоким КПД преобразуют напряжение сети в напряжение на входе диодной схемы, которая и преобразует переменное напряжение в требуемое постоянное.

Простейшая схема преобразователя переменного напряжения (рис. 3.4, б) в постоянное (рис. 3.4, в) изображена на рис. 3.4, а. Само преобразование состоит в отсечке пути тока через нагрузку в отрицательный (положи­тельный) полу период вторичного напряжения трансформатора u₂ с помощью эле­ментов с односторонней проводимостью — выпрямительных диодов.

Рис. 3.4

Средний ток через диод равен току нагрузки: I_д.ср.=I_н. Средний допустимый ток должен быть больше тока нагрузки I_{ср. доп.}>I_н. Допустимое напряжение на диоде должно быть при наличии конденсатора фильтра больше в два раза, чем напряжение нагрузки U_{д доп}>2U_н.

Уменьшения пульсаций достигают применением или трехфазного выпрямителя, или включением после диодной схемы элементов, ток (напряжение) в которых не может исчезнуть мгновенно. Эти элементы входят в фильтр, сглаживающий пуль­сации. Фильтр изменяет режим работы вентилей, входящих в диодную схему. Характер этих изменений зависит от того, каким является первый элемент фильтра, индуктивным или емкостным.

Наиболее употребительные схемы однофазных выпрямителей для источников питания электронных схем изображены на рис. 3.5. В схеме на рис. 3.5, а. в тот момент, когда полярность напряжений на трансформаторе такая, как показано без скобок, при напряжении u₂₁, большем напряжения на конденсаторе (рис. 3.5, б), диод Д1 откроется, а диод Д2 будет закрыт, поскольку u₂₂ < 0 и к нему приклады­вается обратное напряжение, равное u₂₂+U_н. Конденсатор начнет заряжаться (рис. 3.5, в), и напряжение на нем и на нагрузке увеличится. Оно будет несколько меньше u₂₁ из-за падения напряжения в цепи заряда конденсатора на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора, сопротивлении соединительных проводов и диоде. Таким образом, ток, заряжающий конденсатор, идет только во время части полупериода, т, е. яв­ляется импульсным (рис. 3.5, а).

Диод Д1 закроется после того, как напряжение u₂₁ станет меньше U_н. В это время закрытыми диодами нагрузка отделяется от трансформатора, и конденсатор начинает разряжаться, но благодаря большой емко­сти достигается малое уменьшение напряжения на конденсаторе и на на­грузке (рис. 3.5, в).

При смене полярности напряжения на трансфор­маторе на указанную в скобках диод Д1 будет все время закрыт напряжением u₂₁+U_н, а второй диод откроется , подсоединив вторичную обмотку трансформатора к нагрузке, когда u₂₂>U_н и процесс заряда конденсатора повторится.

Напряжение на нагрузке все-таки остается пульсирующем, хотя и в меньшей степени. Оно содержит постоянную составляющую и четные гармоники напряжения сети. Качество выпрямленного напряжения принято оценивать с помощью коэффициента пульсации, который представляет собой отношение действующего значения всех переменных составляющих напряжения (тока) к постоянной составляющей,

(3.3)

обычно добиваются малого k_п, поэтому чаще всего достаточно в выражении (3.3) учесть только первое слагаемое под корнем, т. е. k_п=U_н2/U_н0.

При наличии конденсатора напряжение U_н0 близко к амплитуде напряжения вторичной обмотки U_2m=U₂ в режиме холостого хода.

Обратное напряжение диодов U_обр приближается к двойной амплитуде вторичного напряжения.

Рис. 3.5

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

U_{обр. доп.}2U_Н , I_{ср. доп.}>I_Н­/2, I_{имп. макс.}I_н *Q.

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 3.6) наблюдаются аналогичные процессы. Ток сначала проходит через первый и второй диоды, а потом через третий и четвертый. Причем к паре диодов, находящихся в закрытом состоянии, приклады­вается напряжение, в два раза меньшее, чем в предыдущем случае, т. е.

U_обр=

Преимуществом мостовой схемы по сравнению с предыдущей является более простой трансформатор и меньшее обратное напряжение диодов, что иногда компенсирует увеличение числа диодов.

Рис. 3.6

Для упрощения сборки и уменьшения габа­ритов выпрямителей в настоящее время промышленностью выпускаются блоки из четырех диодов, соединенных по мостовой схеме. Указан­ные обстоятельства являются причиной более широкого применения мостовой схемы на практике. Основные характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя:

U_{обр. доп.}1.1*U_Н, I_{cр.диод.}>I_Н/2, I_{имп. макс.}I_Н*Q.