Лекція 7 випрямлячі

7.1. Призначення випрямлячів та показники якості їх роботи

Звичайними у міських електричних мережах є рівні напруг 380 та 220 В змінного струму. Але для живлення кіл керування електроприводами, для живлення двигунів постійного струму, для живлення релейної та електронної апаратури необхідні різні рівні постійної напруги. Для отримання таких напруг використовують випрямлячі. Блок-схема випрямляча показана на рис. 7.1, а.

Напруга мережі живлення подається на трансформатор Тр, на виході якого отримується змінна напруга , необхідного рівня. За допомогою вентильної групи ВГ змінна напруга перетворюється на пульсуючу випрямлену напругу . Для зменшення пульсацій випрямлена напруга подається на згладжувальний фільтр ЗФ і після нього - на навантаження Н у вигляді напруги . Часто між згладжуючим фільтром і навантаженням вмикають ще стабілізатор напруги СН, який забезпечує стабільність вихідної напруги випрямляча в разі зміни навантаження або напруги мережі живлення.

Рис. 7.1 Блок-схема та часові діаграми випрямлячів

На рис. 7.1, б наведені часові діаграми напруг на окремих ділянках схеми випрямляча з живленням від однофазної мережі.

Основними показниками якості роботи випрямляча можна вважати такі. По-перше це коефіцієнт пульсації випрямленої напруги р, який дорівнює р = (U_{d max} – U_{d min})/ . Тут U_{d max} і U_{d min} - максимальне і мінімальне значення вихідної напруги и_d, а - середнє значення випрямленої напруги. Часто для визначення коефіцієнта пульсацій використовують відношення амплітуди першої гармоніки (або іншої гармоніки з найменшою частотою) випрямленої напруги, розкладеної в ряд Фур'є, до середнього її значення: р₁ = (U_m1 / U_d. Чим менший коефіцієнт пульсації, тим вища якість випрямленої напруги. Для живлення електронних пристроїв звичайно необхідно забезпечувати коефіцієнт пульсації р₁ = 0,02÷0,05.

Другим показником якості роботи випрямляча є стабільність його вихідної напруги, яку можна оцінити відносною зміною напруги внаслідок переходу від режиму холостого ходу з напругою іі_а0 до номінального навантаження: .

Третім показником якості роботи випрямляча є коефіцієнт його корисної дії , який характеризує втрати енергії у випрямлячі.

Нарешті, четвертим показником, за яким слід оцінювати випрямляч, - це простота (складність) його схеми та вартість її реалізації.

Головним вузлом кожного випрямляча є вентильна група, складена з кремнієвих і рідше - з германієвих діодів. Інші вузли блок-схеми випрямляча, показаної на рис. 7.1, а, можуть бути відсутні. Тому розглянемо в першу чергу принцип дії основних випрямних схем, що відрізняються способом з'єднання вентилів між собою та з обмотками трансфор­матора. Будемо вважати, що випрямлячі працюють на активне навантаження.

7.2. Однофазні випрямлячі з активним навантаженням

На рис. 7.2 показані принципова схема (рис. 7.2, а) та часові діаграми напруг (рис. 7.2, б) однофазного однопівперіодного (ІФІП) випрямляча; вентильна група якого утворюється лише одним діодом VD. Як видно з часової діаграми, струм і в колі вторинної обмотки трансформатора і навантаження R тече лише протягом першої половини періоду напруги и₂. В зворотному напрямку діод VD не пропускає струму і можна прийняти, що струм рівний нулю, а вся напруга и₂ прикладена в зворотному напрямку до діода VD. Назва схеми ІФІП означає, що джерело живлення по відношенню до вентильної групи однофазне і струм у фазній обмотці джерела тече протягом лише одного півперіода. Період випрямленої напруги дорівнює періоду напруги мережі живлення, тому частота пульсації випрямленої напруги /_л дорівнює частоті мережі живлення.

Рис. 7.2 Однопівперіодний випрямляч

Якщо знехтувати спадом напруги на діоді VD в прямому напрямку, то максимальна напруга на навантаженні , а мінімальна напруга .

Як відомо з теорії електричних кіл змінного синусоїдного струму, середнє значення напруги дорівнює , а дійове . Оскільки напруга и, « и_л існує на навантаженні лише півперіоду, її середнє значення буде удвічі меншим, а середньоквадратичне (дійове або ефективне) значення меншим в раз. Отже для схеми ІФІП:

;

(7.1)

Якщо вольтметр електромагнітної системи, під'єднаний до вторинної обмотки транс­форматора схеми (рис. 7.2, а), показує, наприклад 20 В, то цей же вольтметр покаже на резисторі R напругу В. В той же час вольтметр магнітоелектричної системи покаже на резисторі Я середнє значення напруги B. Максимальна зворотна напруга на діоді дорівнюватиме і/_звт = і/,-у/2 = 28,25.

Коефіцієнт пульсації р для схеми ІФІП дорівнює:

(7.2)

Розклад у р'яд Фур'є напруги и_d(t) на рис. 13.2, б має вигляд:

Тут - постійна складова, тобто середня напруга , а - перша гармоніка ряду з амплітудою . Тоді коефіцієнт пульсацій за першою гармонікою р₁ для схеми ІФІП дорівнює:

(7.3)

Отже, коефіцієнти пульсації напруги для схеми ІФІП занадто великі і така схема без згладжувальних фільтрів може бути застосована хіба що для зарядки акумуляторів.

На рис. 7.3 показана двофазна схема живлення вентильної групи від однофазного трансформатора з виводом середньої точки вторинної обмотки. По відношенню до навантажен­ня к трансформатор має дві фазні обмотки з напругами _і та і струм через ці обмотки проходить по черзі протягом одного півперіоду. Тому таку схему можна скорочено позначити як схему 2ФІП. В літературі вона звичайно називається однофазною схемою з виводом середньої точки трансформатора, оскільки сам трансформатор живиться від однофазної мережі.

На рис. 7.3, б показані часові діаграми напруг і струму для схеми 2ФІП. Оскільки вентилі VD1 та VD2 відкриваються по черзі, струм у навантаженні протікає протягом обох півперіодів. Внаслідок цього середнє значення вихідної напруги випрямляча подвоюється у порівнянні із схемою ІФІП, а ефективне значення збільшується в раз і для схеми 2ФІП:

;

(13.4)

Як видно з часової діаграми (рис. 13.3, б) період зміни випрямленої напруги и_d вдвічі менший від періоду напруги и₂. Отже, частота пульсації вихідної напруги f_n = 2f₁. Якщо прийняти, що як і в по передньому прикладі, середня напруга на навантаженні R дорівнює = 9 В, то B. Амплітуда ж сумарної напруги на виводах вторинної обмотки трансформатора буде U_2т = 2U_21т дорівнюватиме 28,2 В. В момент, коли, наприклад, діод VD1 буде відкрито, до діода VD2 буде прикладено зворотну напругу и₂ = u₂₁ + и₂₂. Тому максимальна зворотна напруга на діоді U_ЗВmax = 2U_21m дорівнюватиме 28,2 В.

Середнє значення струму в навантаженні = /R, а середнє значення прямого струму через діод буде вдвічі меншим від струму навантаження.

Коефіцієнт пульсації в схемі 2ФІП:

.

(13.5)

Коефіцієнт пульсації за першою гармонікою дорівнює відношенню першої гармоніки вихідної напруги до її середнього значення. Його можна визначити за формулою:

(13.6)

де т - кратність частоти пульсації випрямленої напруги до частоти мережі. Для схеми 2ФІП т = 2, отже р₁ = 2/3 = 0,666.

Рис. 7.4 Однофазний мостовий випрямляч

На рис. 7.4, а зображена схема однофазного мостового випрямляча, а на рис 7.4, б — часові діаграми напруг і струмів. В цій схемі в залежності від напрямку напруги U₂ проводять струм попарно діоди VD₁, VD₃ або VD₂, VD₄. Оскільки струм проходить через обмотку трансформатора протягом обох півперіодів, мостова однофазна схема може бути зазначена як 1Ф2П. За формою вихідної напруги вона тотожна схемі 2ФІП. Отже, частота пульсації випрямленої напруги f_n = 2f₁ а значення , , р та р₁ цієї схеми можна визначити за виразами (7.4), (13.5) та (13.6). Але, на відміну від схеми 2ФІП, трансформатор має лише одну вторинну обмотку з напругою и₂ Тому максимальна зворотна напруга, наприклад, на діоді VD₂, коли діод VD₁ відкрито, дорівнює U_2т. Середній струм у діоді вдвічі менший від середнього струму навантаження .

Застосування мостової схеми зменшує (приблизно в раз) потужність трансформатора і зменшує в два рази зворотну напругу на діодах у порівнянні із схемою 2ФІП.