Перетворювачі напруги

Більшість електронних керуючих приладів, вимірників, обчислювальних і інших пристроїв живляться напругою постійного струму. Мережева напруга змінна, з частотою 50 Гц одно або трифазна. Тому практично кожен електронний прилад забезпечений автономним перетворювачем напруги змінного струму в напругу постійного струму.

У загальному випадку перетворювач напруги може містити трансформатор, випрямляч, що згладжує, фільтр і стабілізатор постійної напруги. Основним вузлом перетворювача є випрямляч. Принцип роботи трансформатора був розглянутий в розділі електротехніка курсу. Тому перетворювачі напруги почнемо розглядати з основних випрямних схем.

1. Випрямлячі

Розрізняють некеровані і керовані випрямлячі. Для побудови некерованих випрямлячів застосовують напівпровідникові діоди, а для побудови керованих - тиристори.

Схема простого однонапівперіодного випрямляча приведена на рис. 1 а. На рис. 1 б приведені відповідні цій схемі епюри напруги і струму.

Рис. 1

До складу схеми входять: джерело синусоїдальної напруги   випрямний діод, і навантаження   При аналізі роботи схеми вважатимемо, що опір діода в прямому напрямі рівний нулю, а в зворотному - нескінченність. При таких допущеннях через навантаження протікає несинусоїдальний періодичний струм, у вигляді півхвиль синусоїди

Форм. 1

Цей струм створює на опорі   падіння напруги у вигляді періодичних пульсацій. З урахуванням прийнятих допущень амплітудне значення пульсацій рівне амплітудному значенню вхідної напруги (рис. 1 в). Під час негативного напівперіоду вхідної напруги вся напруга джерела падає на нескінченно великому опорі діода. Таке падіння напруги називають зворотною напругою діода, а випрямляч - однонапівперіодним.

Рис. 1 в наочно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Т рівний періоду вхідної напруги. Означає і частота пульсацій   рівна частоті вхідної напруги f, а кратність пульсацій

Форм. 2

Визначимо інтегральні параметри випрямленої напруги. Середнє значення струму І₀ визначимо виразом

Форм. 3

Аналогічно

Форм. 4

Значення випрямленого струму, що діє

Форм. 5

Відповідно

Форм. 6

Для оцінки якості випрямленої напруги застосовують спеціальний параметр - коефіцієнт пульсацій - Кп. Він визначається відношенням амплітуди першої гармоніки випрямленої напруги (пульсацій) -   до середнього значення -   тобто

Форм. 7

Розкладання в ряд Фурье функції, представленою рис.1 в має вигляд

Форм. 8

У цьому розкладанні перший член - постійна складова - середнє значення випрямленої напруги, а амплітуда першої гармоніки

Форм. 9

Отже

Форм. 10

Таким чином, розглянута схема однонапівперіодного випрямляча дозволяє набути малих значень середнього і діючого струмів і напруги і володіє великим значенням пульсацій - Кп = 1,57.

Значно кращими параметрами володіє схема двонапівперіодного випрямляча, розроблена в 1901 р. академіком Міткевічем (рис. 2 а). До складу схеми входять: джерело синусоїдальної напруги, трансформатор з виводом від середньої точки вторинної обмотки, два діоди і опір навантаження - R_H . Опір навантаження включений між катодами діодів і середньою точкою вторинної обмотки.

На інтервалі часу від 0 до Т/2 (рис. 2 б ) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора така, як показано на рис. 2 а. До діода Д₁ прикладена пряма напруга, а до діода Д₂ - зворотня. У ланцюзі вторинної обмотки потече струм І₁ від крапки 1, через діодД₁, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіоду вхідної напруги.

Рис. 2

На інтервалі від Т/2 до Т (негативний напівперіод) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора зміниться на протилежну. Тепер до діода Д₂ прикладена пряма напруга, а до діода Д₁ - зворотня. У ланцюзі вторинної обмотки потече струм І₂від крапки 1', через діод Д₂, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки.

Напрям струму через R_H залишився таким же і під час позитивного напівперіоду. Тому цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі негативного напівперіоду. Саме тому даний випрямляч часто називають двонапівперіодним.

Рис. 2 в наочно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Тп в два рази менше періоду вхідної напруги. Отже

Форм. 11

Форм. 12

Форм. 13

Форм. 14

Форм. 15

Форм. 16

де

Форм. 17

Вирази показують, що схема Міткевіча має значно кращі параметри, чим однонапівперіодний випрямляч. Проте застосування трансформатора з виводом від середньої точки вторинної обмотки не завжди прийнятно. Вільна від цього недоліку схема мостового випрямляча (рис. 3). Схема включає в свій склад джерело напруги u(t), чотири діоди і опір навантаження R_H, яке включене в діагональ моста.

Рис. 3

Хай під час позитивного напівперіоду вхідної напруги полярність контактів 1 - 1' така, як показано на рис. 3. В цьому випадку до діодів Д₁ і Д₄ прикладена пряма напруга, а до діодів Д₂ і Д₃ - зворотня. У ланцюзі випрямляча потече струм І₁ від контакту 1, через діод Д₁, опір навантаження R_H, діод Д₄, до контакту 1'. Цей струм створить на опорі навантаження падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіоду вхідної напруги (см.рис. 2 в).

Під час негативного напівперіоду вхідної напруги полярність контакту 1 - 1' міняється на протилежну. Тепер напруга прикладена до діодів Д₂ і Д₃, а зворотна - до діодів Д₁ і Д₄. У ланцюзі випрямляча потече струм І₂ від контакту 1', через діод Д₃, опір навантаження R_H, діод Д₂, до контакту 1. Бачимо, що напрям струму через опір R_H не змінився. Означає форма напруги на опоріR_H така як на рис. 2 в, а параметри мостового випрямляча такі ж як параметри схеми Міткевіча. Проте, через компактність саме мостова схема набула широкого поширення.

Зіставлення параметрів одно і двонапівперіодних випрямлячів дозволяє встановити зв'язок між значеннями кратності пульсацій m і коефіцієнта пульсацій Кп.

Так для однонапівперіодного випрямляча m = 1, а Кп = 1,57. Для двонапівперіодного випрямляча m = 2, а Кп = 0,67. Враховуючи, що коефіцієнт пульсацій визначається середнім значенням випрямленої напруги U₀, знайдемо залежність 

Для цього досить проінтегрувати миттєве значення напруги на навантаженні   у межах від -Т/2m до Т/2m (тобто в межах однієї пульсації)

Форм. 18

Замінимо оператора інтеграції   Тоді період Т потрібно замінити на 2.

Тепер

Форм. 19

Отримане рішення показує, що для збільшення середнього значення випрямленої напруги U₀ (а значить для зменшення Кп) потрібно збільшувати кратність пульсацій m.

На рис. 4 приведена схема трифазного однонапівперіодного випрямляча. У її склад входять трифазний трансформатор, три діоди і опір навантаження Rн. Кожна фаза вторинної обмотки трансформатора включена на загальне навантаження і відповідний діод. Тому кожен діод відкривається під час позитивної півхвилі своєї фази. Що огинає випрямленої напруги представляє три пульсації на інтервалі одного періоду вхідної напруги, тобто m = 3, а

Форм. 20

Рис. 4

Ефективніша мостова схема трифазного випрямляча (рис. 5). У цій схемі кожна пара діодів входить до складу двох мостів. Тому шість діодів утворюють три мостові схеми для трьох фаз. Що огинає випрямленої напруги містить шість пульсацій на інтервалі одного періоду, тобто m = 6, а

Форм. 21

Рис. 5