Блок выпрямления

Выпрямитель электрического тока — механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока с напряжением в постоянный выходной электрический ток с напряжением.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянное напряжение и ток, а пульсирующее однонаправленное напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которого применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного напряжения и тока в переменное напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины.

Классификация

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

1. по виду переключателя выпрямляемого тока

• механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока (применяются в коллекторных генераторах постоянного тока, в механических выпрямителях при производстве алюминия)

• механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока

• С электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);

• с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

2. по степени использования полупериодов переменного напряжения:

• однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну. Преимущество — минимум вентильных элементов. Недостаток — нагрузка трансформатора существенно зависит от фазы, из за чего возникают дополнительные гармоники на выводах трансформатора.

• двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны.

• неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны.

• полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны.

3. по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, безтрансформаторные и т. д.

4. по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные

5. по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и т. д.

6. по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные)

7. по величине выпрямленного напряжения — низкого напряжения или высокого.

8. по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей и пр.

9. по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые.

10. по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельнопоследовательные.

11. по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами.

12. по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. СФ бывают активные и пассивные. Простейшим СФ является кондер, включаемый параллельно нагрузке. Также можно влепить катушку индуктивности (дроссель), но уже последовательно с нагрузкой. А можно комбинировать.

Емкостной фильтр

Емкостной сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

Рис. 1 - Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Если проще, то это напряжение, которое покажет обычный вольтметр, по науке называемый вольтметр среднеквадратических значений, или любой авометр (тестер). Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное - громадное пульсации.

А теперь поставим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано ниже на рисунке:

Рис. 2 - Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром

Рис. 3 - Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром

Получилось пилообразное напряжение. Теперь разберем все это. Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться - короткий отрезок пилы на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок пилы. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пилы, а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости кондера и от величины сопротивления нагрузки, конечно. Чем больше емкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.

Итак. Поставив конденсатор в схему выпрямителя мы добились сглаживания пульсаций выходного напряжения, к тому же, взглянув на рисунок, увеличилось среднее значение выпрямленного напряжения. Более эффектно это выглядит с двуполупериодным выпрямителем. Поскольку частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, то кондер разряжается через нагрузку намного медленней, естественно при соответствующем выборе его емкости. Другими словами, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше. Некоторые думают, что втыкая кондер параллельно нагрузке, он увеличивает выходное напряжение. Хотя всего-то кондер заряжается до амплитудного значения напряжения, которое и является выходным.

Процесс фильтрации можно объяснить и в другом аспекте. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку емкостное сопротивление кондера есть X = 1 / ωC, где ω = 2πf, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0, значит емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная составляющая проходит через кондер и замыкается на общий провод не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке.

Индуктивный фильтр

Индуктивный фильтр - это катушка индуктивности (дроссель), включенная последовательно с нагрузкой. Катушка индуктивности (КИ) - это отрезок проводника, обладающий свойством накапливать магнитную энергию при протекании по нему электрического тока. Дроссель низкой частоты - это катушка индуктивности с магнитопроводом, предназначенная для использования в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления.

Возьмем тот же самый выпрямитель. Подключаем КИ, разрываем цепь нагрузки и соеденяем дроссель. Как отмечалось выше, КИ способна накапливать энергию при протекании тока. При протекании тока через индуктивность она запасает энергию. Затем энергия выделяется в нагрузке и т. д. В другом аспекте: поскольку катушка обладает индуктивным сопротивлением, равным X = ωL, то нетрудно заметить, что при увеличении частоты сопротивление также пропорционально увеличивается. Аналогично для индуктивности. Поскольку для постоянного тока частота равна нулю, то и сопротивление будет равным нулю. Другими словами, индуктивность не пропускает переменной составляющей в нагрузку, тогда как постоянная составляющая беспрепятственно проходит через индуктивность.

Чаще емкостной и индуктивный фильтр комбинируют и получают так называемый LC-фильтр. Сначала давим пульсации в индуктивности, затем остальное в конденсаторе или наоборот. Такие фильтры называют также Г-образными. Причем можно построить многозвенные фильтры. Например, сначала дроссель, затем кондер, опять дроссель - Т-образный фильтр. Или кондер, дроссель, кондер - П-образный фильтр и т. д. LC-фильтры обладают существенными недостатками. Во-первых, это массогабаритные показатели. Конденсатор большой емкости будет не таким уж маленьким. Да и индуктивность тоже. Во-вторых, для LC-фильтров характерно наличие внешних магнитных полей (индуктивность все-таки), а это неблагоприятно сказывается на чувствительные узлы аппаратуры.

Ключевые слова: ФНЧ фильтр, ФВЧ фильтр, режекторный фильтр, сглаживающий фильтр, выпрямитель, трансформатор, стабилизатор, диод.

Функциональная схема устройства.

Принципиальные схемы функциональных узлов.

1. Фильтр низкой частоты 5 порядка, Fср=400 Гц, Rг=Rн=9кОм

2. Фильтр высокой частоты 2 порядка, Fср=3кГц, Rг=Rн=5кОм

3. Режекторный фильтр с добротностью 10 единиц , Fср=3кГц

Расчет схемы №1.

Выбираем фильтр Баттерворта 5 порядка

Схема нормированного ФНЧ.

Рассчитаем емкости конденсаторов ФНЧ

мкФ

мкФ

мкФ

мкФ

Рассчитаем сопротивления резисторов ФНЧ

кОм

Схема масштабированного ФНЧ

Схему реализуем на двух ОУ КР140УД9

ОУ	, В	, мА	f, МГц		, мк
КР140УД9	2×12,6	8	1	0,3	0,015

Расчет схемы №2.

Выбираем фильтр Баттерворта 2 порядка и преобразуем схему ФНЧ в ФВЧ, Для осуществления этого преобразования каждый резистор сопротивлением R [Ом] заменяется конденсатором емкостью 1/R [Ф], а каждый конденсатор емкостью С [Ф] - резистором сопротивлением 1/С [Ом]

Схема нормированного ФВЧ

Рассчитаем сопротивления резисторов ФВЧ

кОм

кОм

Рассчитаем емкости конденсаторов ФВЧ

пФ

Схема масштабированного ФВЧ

Схему реализуем на одном ОУ КР140УД9

ОУ	, В	, мА	f, МГц		, мк
КР140УД9	2×12,6	8	1	0,3	0,015

Расчет схемы №3.

В качестве узкополосных РФ используются RC-схемы типа двойного Т-образного мостового фильтра

Типовая схема фильтра

С=100 пФ

кОм

кОм

кОм

кОм

Искомая схема фильтра

Схему реализуем на двух ОУ КР140УД9

ОУ	, В	, мА	f, МГц		, мк
КР140УД9	2×12,6	8	1	0,3	0,015

=12,6 В, мА.

Питание от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

1. Расчет стабилизатора.

Выберем микросхемы

Наименование микросхемы	, В	, А	мА	, Вт
КР1170ЕН12	12	0,1	1,5	0,5
КР1168ЕН12	-12	0,1	5	0,5

2. Расчет выпрямителя

Выберем диоды

В,

В,

А

Наименование диода	, В	, А	В	, Вт
КД106А	100	0.3	1	0.75

3. Расчет трансформатора

Сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

Ом

Прямое сопротивление диода

Ом

Рассчитываем активное сопротивление фазы выпрямителя

Ом

Определяем расчетные коэффициенты

В=2; D=3,2; F=1,2; H=350 Ом*мкФ

Уточняем значения ,,

В

В

А

Рассчитанные значения меньше допустимых значений выбранного диода.

Следовательно, КД106А можно применить в разрабатываемом выпрямителе.

Находим действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

А

Определяем входную емкость конденсатора фильтра

мкФ

4. Расчёт теплоотводов.

1. Рассчитываем теплопроводы для диодов:

Нет необходимости в теплоотводах для диодов.

Рассчитываем теплопроводы для микросхемы стабилизатора:

Нет необходимости в теплоотводах для интегральных стабилизаторов.

_{Выбор элементов:}

_{С1 = 0.077 мкФ}

_{С2 = 0.059 мкФ}

_{С3 = 0.018 мкФ}

_{С4 = 0.062 мкФ}

_{С5 = 0.031мкФ}

_{С6 = С7 = 0.1мкФ}

_{С8 = С9 =100 пФ}

_{С10 = 200 пФ}

_{R1…R5 ­­= 9 кОм}

_{R6 = 7.07 кОм}

_{R7 = 3.535 кОм}

_{R8 = R9= 530.78 кОм}

_{R10 =265 кОм}

_{R11 =13.25 кОм}

_{R­12 = 516.75 кОм}