Пояснения к работе

Выпрямителями называются устройства, преобразующие переменное напряжение или ток в постоянный с помощью электрических вентилей.

Основную часть этой задачи во всех выпрямителях решает вентильная группа, которая в современных схемах выполняется на полупроводниковых вентилях: неуправляемых – диодах

(рис 2) и полууправляемых – тиристорах, по какой–либо из известных схем. При этом вентильная группа всегда преобразует свое входное знакопеременное, например синусоидальное, напряжение (рис. 3б), в однополярное пульсирующее выходное напряжение - (рис. 3б), содержащее постоянную составляющую , которая и является основным результатом ее работы. Однако на практике от выпрямителя требуют выполнения еще целого ряда необходимых функций:

- согласования уровня входного переменного напряжения питающей сети, например =220 В, с уровнем постоянного выходного напряжения =6 В, необходимого для номинальной работы нагрузки;

- фильтрации – снижения уровня пульсаций выходного напряжения;

- стабилизации или регулирования выходного напряжения.

Тогда выпрямитель в своем составе помимо вентильной группы будет иметь входной согласующий трансформатор, сглаживающий фильтр, стабилизатор и схему регулирования выходного напряжения.

В данной работе анализируются относительно маломощные и простые однофазные выпрямители, содержащие входной трансформатор, вентильную группу и сглаживающий фильтр или без него. Поэтому их вентильные группы собраны на полупроводниковых диодах. Последние представляют собой двухслойную структуру с разделительным–пограничным переходом и двумя выводами: анодом от - области и катодом от области. В выпрямителях используется основное свойство диодов односторонняя проводимость, т.е. хорошо проводить ток в прямом направлении и не пропускать в обратном. Управление состоянием (проводимостью) диода осуществляется напряжением внешней электрической цепи. При открывающей прямой полярности этого напряжения , показанной на рис. 2 слева, диод «открывается» и по нему протекает ток . Соответственно при обратной полярности внешнего напряжения диод «закрывается», и его ток падает практически до нуля. На рис. 2 видно, что диод на схеме представляется острием стрелки, показывающей направление действия открывающего внешнего напряжения и протекающего по нему прямого тока .

В зависимости от предъявляемых требований к качеству выпрямленного напряжения и мощности нагрузки применяются различные схемы выпрямите лей: однофазные, многофазные, однополупериодные и двухполупериодные и др.
	Рис.2

Однофазные выпрямители используются для питания потребителей небольшой мощности (десятки - сотни ватт).

Однополупериодные выпрямители применяются редко вследствие большой пульсации выпрямленного напряжения.

Более совершенными являются двухполупериодные выпрямители по нулевой или мостовой схемам.

Нулевая схема выпрямителя, т.е. с выводом «нулевой» - средней точки трансформатора Т1 и диаграммы ее рабочих напряжений, показаны на рис. 3а,б. Верхние диаграммы и представляют напряжения выходных полуобмоток и трансформатора, а нижняя - напряжение на нагрузке

а	б
Рис. 3

В первый полупериод , когда потенциал точки а положителен, а точки b отрицателен относительно средней точки 0, создается открывающее напряжение для диода VD1 и закрывающее для диода VD2. Соответственно через открытый диод протекает ток цепи: +, а, VD1, , точка 0, , а диод VD2 остается закрытым.

Во втором полупериоде , когда потенциал точки а отрицателен, а точки b положителен относительно средней точки 0, создается запирающее напряжение для диода VD1 и открывающее напряжение для диода VD2. Соответственно диод VD1 становится закрытым, а через диод VD2 протекает ток цепи: +, b, VD2, , точка 0, .

В оба полупериода и ток по нагрузке проходит в одном направлении – справа налево, создавая однополярное пульсирующее напряжение с постоянной составляющей . Последнюю можно вычислить, как среднюю арифметическую величину функции на интервале ее повторяемости .

,

где и - соответственно амплитудное и действующее значения напряжений выходных полуобмоток и трансформатора Т1.

Достоинством схемы является относительно малое количество диодов – 2, а недостатком – обязательное использование трансформатора, причем с выводом средней точки во вторичной обмотке.

Мостовая схема выпрямителя с диаграммами рабочих напряжений показана на рис. 4а,б. Она содержит входной согласующий трансформатор Т1 и четыре диода VD1-VD4, соединенных в мостовую ячейку, к одной диагонали которой подсоединена выходная обмотка трансформатора , а к другой нагрузка - .

Выходное напряжение трансформатора в течение первого положительного полупериода с полярностью плюс на верхнем выводе обмотке и минус на нижнем (на рис. 4а показано без скобок) является открывающим для диодов VD1 и VD3 и создает ток по цепи: «плюс» верхнего вывода - VD1 - - VD3 – «минус» нижнего вывода .

а	б
Рис. 4.

Во втором отрицательном полупериоде напряжение имеет противоположную полярность (показано на рис. 4а в скобках), является открывающим для диодов VD2, VD4 и создает ток по цепи «плюс» нижнего вывода - VD2 - - VD4 - «минус» верхнего вывода . В оба полупериода ток нагрузки течет по ней в одном направлении – слева направо, создавая однополярное пульсирующее напряжение (рис. 4б) с постоянной составляющей . Оно аналогично по характеру изменения выходному напряжению нулевой схемы (рис. 3б), поэтому имеет тот же уровень постоянной составляющей при условии равенства выходных напряжений трансформаторов этих схем .

Достоинством мостовой схемы выпрямителя является возможность ее работы без трансформатора, если не требуется выполнения функции согласования по уровням входного и выходного напряжения. Недостатком считается использование относительно большого числа диодов – четырех.

Качество выпрямителя принято оценивать коэффициентом пульсаций, представляющим собой отношение амплитуды первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей :

.

Рассмотренные выше выпрямители имеют =0.67. Между тем, для питания электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с более низким коэффициентом пульсации .

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяются сглаживающие электрические фильтры. Простейший фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно

нагрузке (рис. 5а), или дросселя, включенного последовательно с нагрузкой (рис. 5б).

а		б
Рис.5

При параллельном подключении к нагрузке фильтрующего конденсатора напряжение последнего становится выходным напряжением всего выпрямителя

.

Рис. 6

Из приведенного выше анализа работы выпрямителей

(рис. 3а,б и рис. 4а,б) видно, что они вырабатывают для выходной цепи - пульсирующее положительное напряжение , приведенное на рис. 6 штриховой линией. При включении выпрямителя в момент под действием возрастающего входного напряжения конденсатор начинает заряжаться и его напряжение (на рис. 6 показано сплошной линией) соответственно возрастает, но с определенной инерцией, обусловленной постоянной времени цепи заряда , где - емкость фильтра, а R внутреннее сопротивление выпрямителя, равное сумме сопротивлений всех участков по его цепи постоянного тока: активного сопротивления задействованной выходной обмотки трансформатора Т1, сопротивления открытого диода или диодов (для мостовой схемы) и сопротивления соединительных проводов. По отдельности и вместе это относительно малые сопротивления в доли или единицы Ом. В результате постоянная времени заряда конденсатора представляет собой относительно малую величину и его напряжение с малой задержкой «следует» за напряжением выпрямителя . Последнее в момент достижения амплитуды реверсирует направление своего изменения и в момент пересекает сверху вниз более инерционное напряжение конденсатора , далее оставаясь уже меньше его . Разность является запирающим фактором для диодов выпрямителя. С закрытием диодов разрывается цепь заряда конденсатора , который дальше разряжается через нагрузку . В обычных выпрямителях сопротивление нагрузки на один - два порядка превышает их внутреннее сопротивление , а значит, аналогично будут соотноситься и постоянные времени заряда и разряда

и наклоны этих участков диаграммы напряжения конденсатора - и - .

Первый зарядно-разрядный цикл завершается в момент , когда напряжение выпрямителя во втором своем полупериоде достигает напряжения конденсатора и начинает новый его зарядный интервал .

В целом «пилообразная» диаграмма напряжения конденсатора имеет заметно меньший уровень пульсаций по сравнению с исходной диаграммой выходного напряжения выпрямителя без фильтра . В этом и проявляется сглаживающее действие С - фильтра .

Далее удобно проследить влияние изменения сопротивления нагрузки на фильтрующую способность конденсатора. Так с ростом сопротивления до режима холостого хода соответственно будет увеличиваться и постоянная времени разряда , т.е. участки разряда конденсатора и станут горизонтальными, таким образом напряжение конденсатора , возрастая на участках заряда , ,… и не меняясь на участках разряда , ,… через несколько полупериодов входного напряжения достигнет его амплитудного значения и далее остается неизменным. В результате вышеизложенного конденсатор понизил до нуля уровень (коэффициент) пульсаций выходного напряжения, став идеальным фильтром, и повысил среднее значение выходного напряжения до амплитуды входного сигнала .

При уменьшении сопротивления нагрузки соответственно на участках разряда , ,…. понижается постоянная времени и круче спадает напряжение конденсатора . На участках же заряда , ,….. крутизна нарастания остается практически неизменной. В результате увеличивается коэффициент пульсаций напряжения конденсатора, т.е. ухудшаются его фильтрующие свойства, и понижается среднее значение выходного напряжения . При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки, например до малого значения внутреннего сопротивления выпрямителя , диаграмма напряжений конденсатора практически вплотную приближается к диаграмме напряжения выпрямителя , т.е. практически полностью исчезает фильтрующая способность конденсатора. Эффективность работы конденсаторного фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

,

где и - коэффициенты пульсаций выпрямителя без и с С – фильтром;  - частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

Дроссельный фильтр на рис. 5б представляет собой катушку индуктивности со стальным сердечником. Под действием пульсирующего напряжения выпрямителя (штриховая линия на рис.7) в дросселе возникает такой же по характеру пульсирующий ток , который создаст в стальном сердечнике аналогичный по характеру пульсирующий магнитный поток . Последний, в свою очередь, наводит в обмотке дросселя противо-ЭДС , представленную на рис.7 (штрих-пунктирной линией). Как видно она изменяется во времени противофазно входному напряжению и не имеет постоянной составляющей. По второму закону Кирхгофа выходное напряжение дросселя, показанное сплошной линией на рис.7, представляет собой алгебраическую сумму входного напряжения и его противо–ЭДС

.

Рис. 7

В итоге дроссель значительно (на величину своей противо–ЭДС) ослабляет или фильтрует переменную составляющую входного сигнала и практически без ослабления передает на выход его постоянную составляющую .

При изменении нагрузки, например ее понижении до режима холостого хода , соответственно ток нагрузки и дросселя падает до нуля, не создается магнитный поток и наводимая им противо–ЭДС. Пульсирующее входное напряжение дросселя без ослабления проходит в нагрузку, т.е. полностью исчезает сглаживающее действие L–фильтра.

С уменьшением сопротивления нагрузки пропорционально увеличиваются ток , создаваемый им в сердечнике дросселя магнитный поток, наводимая им в обмотке противо–ЭДС, а значит и сглаживающее действие L–фильтра. В соответствии с этим коэффициент сглаживания дроссельного фильтра равен

,

где  - частота пульсаций напряжения на входе дросселя .

а	б
Рис. 8

Для повышения коэффициента сглаживания часто используются многозвенные фильтры (рис. 8). Тогда их общий коэффициент сглаживания при n последовательно соединенных

звеньях равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев

.

Существенным достоинством обладают фильтры, содержащие разнохарактерные звенья, например Г – образный LC – фильтр, показанный на рис. 8а. Его коэффициент сглаживания будет равен

,

т.е. в отличие от коэффициентов сглаживания отдельных звеньев (L и C фильтров) коэффициент сглаживания Г–образного

LC–фильтра не зависит от изменения нагрузки . Это и является основным достоинством комбинированных LC–фильтров.

В маломощной аппаратуре иногда вместо многозвенного чисто реактивного LC–фильтра используют более простой по стоимости, массе и габаритам многозвенный RC–фильтр, часто по П-образной структуре, показанной на рис. 8б, с активным сопротивлением в последовательном звене. Это увеличивает соответствующие постоянные времени зарядных и разрядных процессов конденсаторов и тем самым уменьшает перепад между минимальным и максимальными уровнями их напряжений, а значит и уровень пульсаций выходного сигнала.

Однако постоянная составляющая фильтруемого напряжения (и тока ) передается в нагрузку через достаточно большое активное сопротивление . Это, во-первых, обусловливает плохие энергетические показатели фильтра и, во-вторых, даже при незначительных изменениях нагрузки создаются относительно большие колебания падения напряжения на активном сопротивлении фильтра , приводящие к соответствующим большим изменениям (нестабильности) выходного напряжения .

И, наконец, одним из важнейших показателей качества работы любого выпрямителя является его выходная или нагрузочная характеристика , показывающая, как сильно изменяется (уменьшается) его выходное напряжение с ростом нагрузки .

В выпрямителях без фильтров (рис. 3а и рис. 4а) это влияние осуществляется через увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении по уравнению Кирхгоффа для цепи постоянного тока выпрямителя:

,

где - выходное напряжение выпрямителя в режиме холостого хода ( , ).

Использование любых , , фильтрующих звеньев по отдельности или в любом сочетании на выходе выпрямителя всегда только ухудшает его внешнюю характеристику.

Влияние звена активного сопротивления в RC - многозвенном фильтре на нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки показано на рис.7.

Использование L–фильтрующего звена самостоятельно или в составе многозвенного LC–фильтра ухудшает характеристику за счет увеличения внутреннего сопротивления выпрямителя на величину активного сопротивления этого дросселя . С учетом этого по уравнению Кирхгоффа для цепи постоянного тока выпрямителя получаем:

.

Принцип работы -звена рассмотрен ранее. Нетрудно убедиться, что с уменьшением , одновременно уменьшается постоянная времени разряда и увеличивается крутизна снижения напряжения конденсатора на участках его разряда. Это приводит к уменьшению постоянной составляющей , которая и является выходным напряжением всего выпрямителя .

Итак, любой выпрямитель без фильтра имеет наилучшую внешнюю характеристику , но наихудшую форму (с максимальным уровнем пульсаций) выходного напряжения. Использование в выпрямителях любых сглаживающих фильтров улучшает форму выходного напряжения (уменьшает коэффициент его пульсаций), но ухудшает его внешнюю характеристику.