Маломощные выпрямители однофазного тока

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в выпрямителе возникает, если питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является сеть переменного тока (промышленная сеть) частотой 50Гц.

К классу маломощных выпрямителе относятся схемы с потребляемой нагрузкой до 500 Вт. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, вычислительной техники, решающих задачи управления, регулировки, переработки и отображения информации и т.д.

При указанной мощности наибольшее распространение получили однофазные выпрямители, питающиеся от однофазной сети переменного тока.

Однофазный мостовой выпрямитель

Схема выпрямителя содержит силовой транзистор с одной вторичной обмоткой и выпрямляющий мост из четырех диодов :VD₁…VD₄ .

Трансформатор позволяет получить на выходе выпрямителя требуемое напряжение, а самое главное – гальванически развязать сеть ??? нагрузок.

Рассмотрим принцип действия, приняв нагрузку чисто активной. Потери в диодах и транзисторах не учитываются.

Х арактер тока и напряжения на нагрузке пульсирующий.

амплитуда пульсаций.

Частота пульсаций равна удвоенной частоте сети:

Среднее значение напряжение на выходе схемы:

Поскольку при расчете выпрямителя является заданной величиной, то расчет производят по формуле:

Коэффициент трансформации:

Как видно из временной диаграммы б, выходное напряжение пульсирует. Мгновенное значение изменяется в течении полупериода от максимального значения, равного , до нуля. Напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную составляющую, представляющую сумму гармонических.

Разложение в ряд Фурье кривой позволяет определить амплитуду высших гармоник:

Где - номера гармонических составляющих; m-эквивалентное число фаз выпрямления(m=2).

Для оценки качества выпрямляющего напряжения пользуются так называемым коэффициентом пульсаций . Коэффициент пульсаций отлично определяют по амплитуде первой (основной) гармоники ,

поскольку из всех остальных она наиболее трудно поддается фильтрации:

Таким образом, амплитуда первой гармонической составляющей составляет 67% от . Однако очень часто интересует абсолютная величина напряжения пульсаций . в этой схеме она равна:

Для питания электрических схем такое качество напряжения неудовлетворительно: требуется фильтр, сглаживающий пульсации.

Действующее значение тока вторичной обмотки транзистора:

Действующее значение тока первичной обмотки:

Расчетная мощность транзистора:

Преимущество мостовой схемы по сравнению со схемой с нулевым выводом является более простой трансформатор (вторичная обмотка без дополнительного вывода) и меньшее обратное напряжение, на которое выбираются диоды:

Мостовой выпрямитель с активно-емкостной нагрузкой

Чаще всего в маломощных однофазных выпрямителях для сглаживания пульсаций выходного напряжения параллельно подключают конденсатор большой емкости. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы его сопротивление для первой гармонической составляющей выходного напряжения было бы значительно меньше сопротивления . При этом уровень пульсаций (амплитудная пульсация) существенно уменьшается.

Рассмотрим временную диаграмму схемы с активно емкостной нагрузкой. Как и в предыдущей схеме, анализ проводим без учета потерь в диодах и активного сопротивления трансформатора.

По сравнению со схемой с чисто активной нагрузкой, в этой схеме производится заряд и разряд конденсатора С, поэтому её работа имеет импульсивный характер.

Пусть в момент t=0 схема оказалась подключена к источнику переменного напряжения . Конденсатор С в исходном состоянии разряжен. Тогда в момент t₀через конденсатор потечет ток, прямо пропорциональный произведению емкости и скорости нарастания напряжения :

В интервале 0-π/2 конденсатор заряжается, токи i₂ и i₁ уменьшаются и в момент t₁соответственно ток заряда равен 0, и в дальнейшем конденсатор начинает разряжаться через резистор .

Разряд конденсатора происходит в интервале . В этом промежутке времени все диоды моста закрыты.

Постоянная времени разряда С:

Напряжение на выходе уменьшается по экспоненте.

В момент времени t₂напряжение, увеличивающее U₂сравнивается с выходным, и диоды VD₃и VD₄открываются.

Предположим, что разряд С занимает промежуток времени, соответствующий углу угол .

Тогда в интервале t₃-t₂ конденсатор вновь заряжается, причем, второй импульс тока будет иметь меньшую амплитуду по сравнению с первым, поскольку скорость изменилась . Расчеты показывают, что при принятых ранее параметрах схемы

В момент t_S диоды вновь оказываются смещенными в обратном направлении, и конденсатор опять разряжается.

И так, начиная с момента t_{2 ,} переходные процессы в схеме выпрямителя соответствуют установившемуся режиму и идентично повторяются с периодом π.

Оценим уровень пульсаций U_П в этой схеме.

Перейдем в интервале t₃-t₁от производной к конечным приращениям.

Коэффициент пульсаций рассчитывают по формуле: