10.2 Основні типи випрямлячів

Випрямляч – це пристрій, призначений для перетворення енергії джерела змінного струму в енергію постійного струму.

В інформаційній електроніці для характеристики сигналів (струмів та напруг) суттєве значення мають їх миттєві і амплітудні значення, частота повторення, фаза та інші параметри, за допомогою яких фіксується та передається інформація. У силовій ( енергетичній) електроніці важливе значення мають інтегральні характеристики струмів і напруг, такі як середні та діючі значення, які дозволяють оцінити їх енергетичну дію. В електричній промисловій мережі енергія транспортується за допомогою змінного синусоїдального сигналу, середнє значення якого за період дорівнює нулю, оскільки площі за позитивний та негативний півперіоди однакові, тобто такий сигнал не має постійної складової, необхідної для побудови ВДЖ.

Для формування постійної складової при надходженні гармонічного сигналу реалізується принцип випрямляння, який полягає у пропусканні змінного струму через вентільні елементи електричного кола. Такі прилади мають нелінійну асиметричну вольт-амперну характеристику, тобто забезпечують велику провідність в одному напрямі та малу провідність в протилежному напрямі. У результаті не виході випрямляча формується однополярна ( випрямлена) напруга, миттєве значення якої змінюється у часі – пульсуюча напруга.

В якості вентилів в ВДЖ невеликої потужності зазвичай використовують кремнієві, рідко германієві випрямні діоди. Процес випрямлення за їх допомогою розглянуто в розділі 3.6.1. на прикладі однопівперіодної схеми з активним навантаженням (рис. 3.2, та 3.3).

Завдяки асиметрії ВАХ діодів, яка забезпечує їх вентільні властивості, струм в навантажені протікає лише на протязі одного півперіоду ( позитивного або негативного в залежності від полярності вмикання діода). При вмиканні, показаному на рис.3.1, струм в навантажені протікає лише в позитивний півперіод.

Для звичайних НД пряма напруга не перевищує 1...2 В, а тому майже вся напруга вторинної обмотки трансформатора виділяється на навантажені, де формуються однополярні позитивні імпульси струму і відповідно напруги (рис.3.3).Протягом негативного півперіоду струм через навантаження не протікає. Уся напруга вторинної обмотки трансформатора прикладена до діода i є для нього зворотною напругоюU_R.

Отже, максимальне значення зворотної напруги U_Rmax дорівнює амплітуді синусоїдального сигналу вторинної обмотки трансформатора U_m. Як видно з рис. 3.3, б, випрямлений струм I_н– пульсуючий. Протягом негативного півперіоду I_н = 0, напруга на навантаженні не формується. Гармонічний сигнал первинної обмотки перетворюється в складний імпульсний сигнал. Напруга на навантажені постійна за напрямом, але не постійна за величиною. Пульсація напруги, тобто її зміна, свідчить про наявність змінної складової в кривій випрямленої напруги, що свідчить про неякісне (неповне) випрямлення.

Вихідна напруга u_R являє собою періодичну функцію, а тому може бути розкладена в ряд Фур`є, тобто представлена як сума постійної та змінної складових: u_R(t)=U₀ + U_m. Постійна (корисна) складова – це середнє значення напруги за період. Воно дорівнює висоті прямокутника, площа якого дорівнює площі, що обмежується кривою напруги ( чи струму).

Змінна складова – це напруга пульсацій, що дорівнює сумі всіх гармонічних складових. Найбільш вагомий внесок в пульсації забезпечує 1-ша гармоніка, частота якої дорівнює частоті силової мережі (в однопівперіодних випрямлячах), або в 2 рази перевищує частоту її (в двопівперіодних та мостових схемах). Цю гармоніку найбільш тяжко заглушити фільтрами, а тому за її величиною оцінюють спотворення випрямленої напруги.

Шляхом інтегрування за період, одержали для однопівперіодної схеми значення амплітуди першої гармоніки, яка в схемі без фільтра в 1,57 раз перевищує величину постійної складової (U_m1=1.57U_сер ).

Для оцінки ступеня наближення пульсуючої напруги до постійної користуються коефіцієнтом пульсації К_п, який являє собою відношення амплітуди змінної складової випрямленої напруги U_~ до постійної складової U_сер (середнього значення випрямленої напруги):

К_п=U_~/U_сер.

Для однофазного однопівперіодного випрямляча коефіцієнт пульсації випрямленої напруги К_п = 1,57.

Для зменшення коефіцієнта пульсацій використовують згладжувальні фільтри, для чого у схеми вмикають конденсатори великої ємності та дроселі з великою індуктивністю. Це розглянемо нижче.Описані процеси випрямлення використовуються в більш складних випрямлячах.

На рис.10.2 подана двопівперіодна схема з середньою точкою та активним навантаженням, яка складається з двох однопівперіодних, що почергово працюють на одне навантаження R_Н. Дві однакові вторинні обмотки трансформатора мають спільну точку і через діодиVD1 таVD2 забезпечують формування однополярних імпульсів струму як в позитивний так і в негативний півперіоди ( рис.10.3,б).

Таким чином, середнє значення випрямленої напруги тут буде у два рази більшим, ніж в однопівперіодій схемі, що забезпечує зменшення коефіцієнту пульсацій. Крім того, частота 1-ої гармоніка в два рази перевищує частоту мережі, а значить зменшуються вимоги до фільтрів.

Е нергетичні та якісні показники таких схем значно вищі, ніж в однопівперіодних. При використанні активного навантаження коефіцієнт пульсацій зменшується до 67%. Перевагою таких пристроїв є відсутність вимушеного намагнічування осереддя трансформатора постійною складовою струму вторинної обмотки. Схема має більш широке застосування, ніж однопівперіодна.

Недоліки двопівперіодної схеми: необхідність вивода середньої точки вторинної обмотки трансформатора, напівобмотки повинні бути строго симетричні для формування однакових напруг, для побудови пристрою необхідні два діода (таку схему називають «нульовою»).

Мостова схема (рис.10.4) складається із чотирьох вентилів D1…D4, які з`єднані за схемою електричного моста. До однієї діагоналі моста вмикається джерело змінної напруги ( вторинна обмотка трансформатора), а до другої навантаження (R1). Спільна точка катодів вентилів D3 та D4 є позитивним полюсом випрямляча, а спільна точка анодів D1 та D2 – негативним. У позитивний півперіод напруги на вторинній обмотці трансформатора струм протікає через діод D3, навантаження тадіод D2 (показано стрілками). Діоди D1 та D4 зміщені в зворотному напрямі, мають великий опір та не впливають на формування струму. На вантажені формується позитивна напівхвиля.

У негативний на півперіод ( плюс внизу) струм потікає через діод D4, через навантаження в тому ж напрямку як і у позитивний напівперіод та через діод D1. При цьому діоди D2 та D3 зміщені в зворотному напрямі. В результаті струм через навантаження І_Н весь час протікає в одному й тому ж напрямі (рис.10.14.).

Випрямлена напруга, струм навантаження, струм, що протікає через вентилі, осцилограми вхідних та вихідних сигналіву мостовій схемі такі самі, як у схемі з нульовим виводом трансформатора(рис.10.3), але максимальна зворотна напруга на вентилях у два рази менша.

Отже, з трьох розглянутих схем мостова схема характеризується найкращим використанням трансформатора. Це пов`зано з тим, що в ній як у первинній, так і вторинній обмотці трансформатора протікає чисто синусоїдальний струм. Якщо порівнювати мостову і нульову схеми за умови забезпечення ними однакових параметрів випрямленої напруги, можна виділити такі переваги мостової схеми:

1. зворотна напруга на вентилях у 2 рази менша;

2. у 2 рази менша кількість витків вторинної обмотки трансформатора;

3. простіша конструкція трансформатора, оскільки на треба мати вивід спільної точки вторинної обмотки;

4. типова потужність трансформатора приблизно на 17% менша, а відтак витрачається менше заліза та міді на виготовлення трансформатора, зменшуються його габарити та маса;

5. мостова схема випрямляча, на відміну від нульової схеми, може працювати і без трансформатора, якщо напруга мережі забезпечує одержання необхідного значення випрямленої напруги, а також якщо не треба мати електричну розв`язку між навантаженням та мережею живлення.

Проте мостова схема, у порівнянні з нульовою, має такі недоліки: - використовується у 2 рази більше вентилів; - більші втрати потужності у вентилях, оскільки струм навантаження послідовно протікає через 2 вентиля.

Переваги мостової схеми випрямлення зумовлюють її широке застосування. Нульова схема випрямлення найчастіше використовується для отримання низьких значень випрямленої напруги ( менше 10 В). В низьковольтних випрямлячах ця схема забезпечує вищий ККД, ніж мостова схема, а підвищена зворотна напруга на вентилях в даному випадку не має суттєвого значення.

Напруга, сформована однофазними випрямлячами, має досить великі пульсації. Якщо навантаження випрямляча має активно-індуктивний або активно-ємнісний характер пульсації струму ( напруги) на навантажені значно зменшуються.

У випадках чисто активних навантажень для зменшення пульсацій випрямленої напруги ( струму) між випрямлячем та навантаженням вмикають згладжувальні фільтри (рис.10.1). Оскільки такі фільтри, як правило, складаються з реактивних компонентів (дроселів і конденсаторів), загальний характер навантаження випрямляча також буде активно-індуктивним, або активно-ємнісним.