Примеры решения задач - Выпрямители и стабилизаторы / 3.Выпрямительные схемы

3.ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Электрическая схема, выполненная на вентилях и предназначенная для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, называется выпрямителем. Для питания электронной аппаратуры применяются маломощные выпрямители на неуправляемых вентилях, работающие от сети однофазного переменного тока.

Однофазное выпрямительное устройство (ОВУ) обычно имеет следующую структурную схему (рисунок 3.1):

Рисунок 3.1

На практике применяются ОВУ трех типов:

1) однополупериодные;

2) двухполупериодные:

а) с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора;

б) мостовые.

3.1.Однополупериодные схемы выпрямления

Простая по конструкции и относительно недорогая однополупериодная схема (рисунок 3.2) является однотактной, так как вследствие односторонней проводимости вентиля ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в одном направлении.

Рисунок 3.2

Поэтому временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке при синусоидальном выпрямляемом напряжении выглядят так, как показано на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3

Из разложения прерывистого напряжения в ряд Фурье

следует, что

а) среднее значение выпрямленного напряжения

;

б) коэффициент пульсаций

3.2.Двухполупериодные схемы выпрямления

Двухполупериодные однотактная и двухтактная схемы обеспечивают более качественные выходные параметры ОВУ.

Двухполупериодная однотактная схема (с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку (рисунок 3.4), причем u₂ и u₂ равны и противоположны по фазе.

Из временных диаграмм видно, что в данной схеме используются оба полупериода напряжения сети, и ток в нагрузочном резисторе, создаваемый за счет поочередной работы вентилей, протекает в одном направлении (рисунок 3.5).

Рисунок 3.4

Рисунок 3.5

Из разложения в гармонический ряд напряжения, выпрямленного двухполупериодной схемой,

вытекает, что по сравнению с однополупериодным вариантом:

а) среднее значение выпрямленного напряжения

в два раза больше,

б) а пульсации меньше:

В двухполупериодной двухтактной (мостовой) схеме (рисунок 3.6) ток через нагрузку в оба полупериода протекает в одном направлении, причем ток вторичной обмотки трансформатора также протекает в течение обоих полупериодов и является синусоидальным, что исключает дополнительное намагничивание сердечника.

Данная схема выпрямления является наиболее распространенной, так как при одинаковых значениях u₂ и R_н средние значения выпрямленных тока и напряжения, как и в случае однотактной схемы, в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей.

Кроме того, конструкция мостового выпрямителя проще, а габариты, масса и стоимость трансформатора, а также максимальное обратное напряжение на закрытых вентилях меньше (в два раза), чем у выпрямителей с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком мостовых выпрямителей следует считать необходимость в удвоенном количестве вентилей.

Рисунок 3.6

Графически выраженная зависимость среднего значения выходного напряжения U_вых (или напряжения на нагрузке U_н) от среднего значения выходного тока I_вых (или тока нагрузки I_н) представляет собой внешнюю характеристику (как однополупериодного, так и двухполупериодного) выпрямителя (рисунок 4.1, б, кривая 1). Нелинейность кривой объясняется нелинейностью ВАХ полупроводниковых диодов (в случае однополупериодного выпрямителя U_{н хх}=U_m/, в случае двухполупериодной схемы U_{н хх}=2U_m/), наличие активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора и внутренние падения напряжения в вентилях обусловливают падение напряжения с ростом нагрузочного тока. Внешняя характеристика показывает, в каких пределах может изменяться ток с тем, чтобы напряжение не падало ниже допустимого значения.

3.3.Выпрямительные схемы со сглаживающими фильтрами

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до необходимой величины между выходными зажимами выпрямителя и входными зажимами нагрузочной цепи включают дополнительное звено, выполняющее функции сглаживающего фильтра (рисунок 3.1).

Фильтры обычно состоят из конденсаторов и индуктивных катушек, так как их сопротивления зависят от частоты. По виду реактивных элементов различают:

1) емкостные (рисунок 3.7);

2) индуктивные (рисунок 3.8);

3) смешанные (рисунок 3.9):

а) Г-образные LC-фильтры;

б) Г- образные RC-фильтры;

в) П-образные LC-фильтры;

г) П-образные RC-фильтры.

Рисунок 3.7 Рисунок 3.8

а) б)

в) г)

Рисунок 3.9

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания

,

где p_вх и p_вых - коэффициенты пульсаций напряжений, соответственно, на входе и выходе фильтра; причем коэффициент сглаживания многозвенного фильтра (типа "в" и "г") определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев, из которых он состоит.