3.3.2 Однофазні випрямлячі

Однопівперіодний випрямляч. Схема однопівперіодного випрямляча з активним навантаженням представлена на рис. 3.3.2.

TU VD U₂

t

U_~ U₂ R U_н U_н

U_сп

t

а) б)

Рис. 3.3.2. Схема однопівперіодного випрямляча (а)

та його часові діаграми (б)

П ри аналізі роботи випрямлячів вважають, що трансформатор і діод ідеальні. Це означає, що:

• індуктивні опори розсіювання та активні опори обмоток трансформатора , а також опір діода в прямому ввімкненні дорівнюють нулю (в дійсності ж вони не дорівнюють нулю, але дуже малі порівняно з опором навантаження);

• зворотний опір діода безмежно великий, отже, струм в колі вторинної обмотки трансформатора дорівнює нулю (насправді зворотний опір діода має кінцеву величину, але вона на декілька порядків більша опору діода при прямому ввімкненні і в багато раз більша опору навантаження).

Робота однопівперіодної схеми випрямляча визначається властивостями напівпровідникового діода. Коли на вторинній обмотці трансформатора додатна пів синусоїда напруги, додатний потенціал прикладено до анода діода й він переходить у відкритий стан, тоді струм проходить через діод та навантаження і це триває до моменту, коли синусоїда напруги вторинної обмотки трансформатора змінює знак на протилежний, тобто половину періоду змінної напруги. Від’ємний потенціал на аноді діода приводить до його закриття, відповідно струм через діод і навантаження не проходить (рис. 3.3.2,б). Таким чином, струм в навантаженні R_н має пульсуючий характер, тобто з’являється лише в один з півперіодів напруги U₂. Коефіцієнт пульсації такого випрямляча дорівнює – К_П=1,7.

Умови для вибору діода за струмом та за напругою:

(3.3.4)

(3.3.5)

де І_доп.д. – допустимий струм діода, А

І_сп. – струм споживача, А

U_зв.доп. - зворотна допустима напруга діода, В

U_в. – напруга, що діє на діод в непровідний період, В.

Для однопівперіодного випрямляча U_в визначається за формулою:

(3.3.6)

де U_сп– напруга споживача, В.

Однопівперідний випрямляч служить зазвичай для живлення кіл малої потужності та високої напруги.

Перевагою однопівперіодного випрямляча є простота схеми, наявність лише одного випрямного діода ( за умови, що його максимально допустима зворотна напруга дорівнює або більша амплітуди зворотної напруги U₂, інакше слід вмикати послідовно декілька діодів). Недоліком є погане використання трансформатора за потужністю, так як він працює з підмагнічуванням струму одного напрямку, яке приводить до насичення магнітного потоку осердя, і, як наслідок цього, - високому рівню пульсації. Максимальне значення ККД стає рівним 40,6%.

Двопівперіодні випрямлячі. Перераховані недоліки однопівперіодних випрямлячів відсутні у двопівперіолдних, в яких використовуються обидва півперіоди напруги мережі. Розрізняють два види допівперіодних випрямлячів: мостовий і з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора.

Коефіцієнт пульсації за діючим значенням – К_П = 0,48.

Порівняно з однопів-періодною схемою, в мостовій краще викорис-товується рансформатор. Струм у вторинній обмотці кожний півперіод протікає в протилежних напрямах, що усуває підмагні-чування.

Найбільш розповсюджений мостовий випрямляч (рис. 3.3.3,а), в якому випрямні діоди VD1-VD4 ввімкнені за мостовою схемою. До однієї з діагоналей моста підведена змінна напруга, а до другої – опір навантаження R_н. Протягом першого півперіоду напруги U₂, коли точка а вторинної обмотки трансформатора має додатний потенціал по відношенню до потенціалу точки в, діоди VD1, VD3 відкриті, і в навантаженні виникає струм (рис.3.3.3,в). В цей час діоди VD2, VD4 закриті. В інший півперіод напруги U₂ потенціал точки а більш від’ємний. ніж потенціал точки в, діоди VD2, VD4 відкриті, а діоди VD1, VD3 закриті. При цьому в навантаженні струм має той же напрям, що і в перший півперіод напруги U₂.

U₂

TU а ~ t

VD4 VD1

U_VD1,VD3

t

VD3 VD2 U_VD2,VD4

в ~

R_н U_н t

- + U_ф

а) б) t

Рис. 3.3.2. Схема мостового випрямляча (а) та його часові діаграми (б)

Змінюється і ККД в мостовій схемі, його максимальне значення дорівнює =81,2%.

Умови для вибору діодів за струмом та за напругою:

(3.3.7)

(3.3.8)

де І_доп.д. – допустимий струм діода, А

І_сп. – струм споживача, А

U_зв.доп. - зворотна допустима напруга діода, В

U_в. – напруга, що діє на діод в непровідний період, В.

Для мостового випрямляча U_в визначається за формулою:

(3.3.9)

де U_сп– напруга споживача, В.

В схемі двопівперіодного випрямляча з виводом середньої точки трансформатора (рис.3.3.4,а) вторинна обмотка трансформатора має середню (нульову) точку, що забезпечує отримання двох напруг u₂^´ i u₂^´´ однакової амплітуди, але протилежної полярності. Коли на вторинній обмотці трансформатора додатна півсинусоїда напруги u₂^´, то струм проходить через діод VD1 - R_н (рис.3.3.4,в), і, навпаки, коли додатна півсинусоїда напруги u₂^´´ - струм проходить через VD2 - R_н. Отже струм через навантаження визначається сумою струмів обох діодів і проходить протягом усього періоду.

U₂ U₂´ U₂´´

TU VD1

t

U₂´ R_н U_VD1

U_~

U₂´´ VD2 U_VD2 t

U_н t

а) б) U_ф

t

Рис. 3.3.3. Схема двопівперіодного випрямляча з виводом середньої точки трансформатора (а) та його часові діаграми (б)

Коефіцієнт пульсації за діючим значенням – К_П = 0,67.

Умови для вибору діодів за струмом та за напругою:

(3.3.10)

(3.3.11)

де І_доп.д. – допустимий струм діода, А

І_сп. – струм споживача, А

U_зв.доп. - зворотна допустима напруга діода, В

U_в. – напруга, що діє на діод в непровідний період, В.

Для мостового випрямляча U_в визначається за формулою:

(3.3.12)

де U_сп– напруга споживача, В.

Недоліком такої схеми є використання спеціального трансформатора і те, що струм вторинної обмотки несинусоїдальний. Це призводить до додаткових втрат в трансформаторі, також зворотна напруга на закритих діодах в два рази більша, ніж в мостового діода.

Порівняння трьох типів випрямлячів при однакових значеннях U₂ i R_н дозволяє виявити їх переваги та недоліки. Двопівперіодні випрямлячі більш ефективні: середні значення випрямлених струмів та напруг у них у два рази більші, а коефіцієнт пульсації значно менший , ніж однопівперіодних випрямлячів. Із двопівперіодних випрямлячів перевагу слід надавати мостовим, так як у них: конструкція простіша і вартість трансформатора менша (за рахунок зменшення кількості витків вторинної обмотки в два рази); максимальна зворотна напруга на закритих діодах в два рази менша. Недоліком мостових випрямлячів є подвоєна кількість випрямних діодів.

В розглянутих в даному параграфі схемах напівпровідникових випрямлячів керування випрямленою напругою можна проводити за допомогою автотрансформатора в колі змінного струму або реостатом, або потенціометром в колі випрямленого струму. Однак подібні способи керування випрямленою напругою (струмом) при відносній простоті мають суттєві недоліки: низький ККД, громіздкість і висока вартість регуляторів. Найбільш економічним, зручним і тому самим розповсюдженим способом керування випрямленою напругою 9струмом) є кероване випрямлення.

Керовані випрямлячі. У керованих однофазних випрямлячах використовуються керовані напівпоровідникові елементи – тиристори. Як уже відзначалось, у них є керований електрод, а перехід від закритого до відкритого стану здійснюється за умови додатного потенціалу на аноді та наявності імпульсу керування на електроді керування.

VS1 I_н

R2

U₂ R1 R_н i_н 0 π 2π

C α ωt

а) б)

Рис. 3.3.4. Схема (а) та часова діаграма (б) однофазного однопівперіодного керованого випрямляча

На рис.3.3.4 (а) зображена схема найпростішого однофазного однопівперіодного випрямляча на тиристорі VS. Керування випрямленою напругою в керованих випрямлячах зводиться до затримки в часі моменту ввімкнення тиристора по відношенню до моменту його природньоговвімкнення. Це здійснюється за рахунок зсуву фаз між анодною напругою та напругою, яка подається на керуючий електрод тиристора. Такий зсув фаз називають кутом керування α. Зміна кута керування α в випрямлячі (рис. 3.3.4, б) відбувається за допомогою фазозсуваючого ланцюга R1R2C. В залежності від опору змінного резистора R1 кут керування α може змінюватися від 0 до 90º, що дозволяє плавно регулювати випрямлену напругу від найбільшої величини до її половини. Залежність середнього значення випрямленої напруги U_н від кута керування α називають характеристикою керування. Для однопівперіодного випрямляча максимальне значення кута керування α_max = π/2, для двопівперіодного - α_max = π.

На прикладі схеми рис.3.3.4, а бачимо, що керовані випрямлячі виконуються на тиристорах, які вимагають, на відміну від некерованих випрямлячів, спеціальної системи керування для їх відкривання в потрібні моменти. Існує велика різноманітність таких систем керування, в яких в якості фазозсуваючих використовуються RC-ланцюжки.

Інший спосіб отримання зсуву фаз базується на порівнянні в спеціальному (пристрої порівняння) вхідної напруги U_вх, яка поступає від джерела каліброваної напруги, з напругою U_ср, яка лінійно змінюється в часі, і синхронізованою змінною напругою U_ж живлення.