33. Блок-схема полупроводникового выпрямителя. Одно – и двухполупериодные выпрямители. Электрические схемы и осциллограммы.

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразо­вания электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроуста­новки работают на постоянном токе.

В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрями­тели средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными.

Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17):

5. 1.     Трансформатор Тр;

6. 2.     Выпрямительный блок БВ;

7. 3.     Сглажи­вающий фильтр - фильтр нижних частот СФ;

8. 4.     Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение U _ВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U _ВЫХ подключается нагрузка R _Н .

 

 

Рис. 17. Структурная схема выпрямителя

 

Трансформатор (часто называемый силовым) пред­назначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков вы­прямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопас­ности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную.

Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводно­стью (диоды, тиристоры и др.).

Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительный блок, оцени­вается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется:

К _В = I _ПР / I _ОБР , (U = const ).

Идеальные вентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направле­нии I _ОБР = 0 , т. е. обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальные вентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнитель­но небольшой обратный ток I _ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы долж­ны обладать малым прямым и большим обратным сопро­тивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжени­ем, высоким КПД и стабильностью характеристик.

Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр яв­ляется устройством, содержащим R – , L – и С - элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьше­нии напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффи­циентом фильтрации (сглаживания) - отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К _{П ВХ} / К _{П ВЫХ} .

Стабилизатор служит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изме­нение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе - со стороны пере­менного тока.

В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы ав­томатики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное на­пряжение U_ВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор.

Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится мини­мальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффици­ентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благода­ря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя.

Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (пере­менного) напряжения U _ВХ и тока I , среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) U _{С В} и ток I _{С В} , коэффициент пульсаций К _П , коэффициент сглаживания пульсаций q , КПД и др.

По способам преобразования переменного тока раз­личают одно- и двухполупериодные выпрямители.

 ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Схема простейшего однополупериодного выпрямите­ля (рис. 18) содержит трансформатор Тр, первичная обмотка которого включена в сеть переменного (синусоидального) тока на напряжение u₁ , а ко вторич­ной обмотке на выходное напряжение трансформатора u₂ последовательно подключены диод VD и резистивная нагрузка R_H .

В течение первого условно положи­тельного полупериода (на верхнем зажиме вторичной обмотки трансформатора потенциал положителен (рис. 18, а ) диод включён в прямом направлении – «диод открыт». В этом случае по цепи с нагрузкой R _Н протекает ток i _Н = i ₂ . Поскольку сопротивление диода практически равно нулю, то ток в цепи определяется практически только сопротивлением нагрузки:

i ₂ = i _Н = u ₂ / (R _ПР + R _Н ) = u ₂ / R _Н .

При этом напряжение на нагрузке практически равно выходному напряжению трансформатора:

u _Н = i ₂ R _Н = u ₂ .

 

Рис. 18. Схема и осциллограммы однополупериодного однофазного выпрямителя

В течение второго условно отрицательного полупериода (на верхнем зажиме вторичной обмотки трансформатора потенциал отрицателен (рис. 18, б) диод включён в обратном направлении – «диод закрыт», поэтому ток в цепи отсутствует i ₂ = i _Н = 0 .

В этом случае напряжение на нагрузке также равно нулю u _Н = i ₂ R _Н = 0 и всё выходное напряжение трансформатора u₂ оказывается приложенным к диоду u ₂ = u _Н + u _Д = u _Д и на зажимам диода возникает максимальное обратное напряжение.

Выпрямленное напряжение и ток в нагрузке уже не являются синусоидальными, а имеют вид повторяющихся импульсов одной полярности, разделенных паузами. Напряжение (ток) несинусоидальной фор­мы можно представить как сумму некоторого постоян­ного напряжения (постоянная составляющая) и синусоидальных напряжений с час­тотами ω , 2ω , Зω и т. д. Такая сумма называется рядом и может содержать несколько слагаемых. Первое слагаемое этого ряда - постоянная составля­ющая или средневыпрямленное напряжение за период U_CВ , а все последующие члены - переменные составляющие или гармоники. В частности, второе слагаемое называется напряжением основной (первой) гармоники U_1Г с часто­той, равной частоте сети ω, остальные члены ряда - гар­моники более высокого порядка с частотами, кратными основной частоте.

Средневыпрямленное напряжение (постоянная составляющая выпрямленного напряжения) в случае однополупериодного выпрямления равна:

U_CВ = 0,32 U_{2 МАХ} = 0,45 U₂ .

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П равен отношению амп­литуды первой (основной) гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения в случае однополупериодного выпрямления оказывается очень высоким:

К_П = U_1Г / U_CВ = 1,57 .

Благодаря простоте устройства однофазные однополупериодные выпрямители часто применяются в качестве блоков питания в радио- и телевизионной технике, в выпрямительных цепях измеритель­ных приборов и др.

 ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

 Известны два варианта схем двухполупериодного од­нофазного выпрямителя:

1. 1.     Схема с выводом от среднего витка (средней точки) вторичной обмотки трансформатора;

2. Мостовая схема.

1. Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от среднего витка вто­ричной обмотки трансформатора состоит из трансформатора Тр, двух диодов VD1 и VD2 и нагрузки R _H (рис. 18 ). Аноды диодов присоединены к концам вторичной обмотки трансформатора (точки 1 и 2 ), а катоды - к общему узлу 3 . Нагрузка включена между средним витком обмотки трансформатора 0 и узлом 3 .

 

 

Рис. 18. Схема и осциллограммы двухполупериодного однофазного выпрямителя с выводом от среднего витка вто­ричной обмотки трансформатора

 

По своей схеме такой двухполупериодный выпрямитель эквивалентен двум однополупериодным выпрямителям, работающим на общую нагрузку со сдвигом на полпериода, поэтому напряжение и ток в нагрузке состоят из положительных синусоидальных полуволн без пауз ( « + » со стороны катодов, точка 3 ).

При включении сетево­го напряжения u ₁ на первой и второй половинах вторичной обмот­ки трансформатора возникают напряжения u ₂₁ и u ₂₂ . В первый полупериод потенциал точки 1 является положительным, а потенциал точки 2 является отрицательным относи­тельно вывода средней точки 0 . В этом случае диод VD2 закрыт, а диод VD1 открыт и под действием наведённого в первой половине вторичной обмот­ки трансформатора напряжения u ₂₁ в цепи возникает ток i ₂₁ , который проходит через диод VD1 , нагрузку R _Н и первую половину вторичной обмот­ки трансформатора. В следующий полупериод полярность на концах вторичной обмотки трансформатора меняется на обратную: диод VD1 за­крывается, а диод VD2 открывается. Под действием наведённого во второй половине вторичной обмот­ки трансформатора напряжения u₂₂ в цепи возникает ток i ₂₂ , который проходит через диод VD2 , нагрузку R _Н и замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, каждые полпериода через нагрузку R_H поочередно, проходят в одном и том же направлении токи i ₂₁ и i ₂₂ , поэтому ток в нагрузке равен их сумме: i н = i ₂₁ + i ₂₂ .

Поскольку практически всегда и первая и вторая половины (ветви или плечи) выпрямителя выполняются одинаковыми, т. е. являются симметричными, то и токи в ветвях выпрямителя также будут одинаковыми i ₂₁ = i ₂₂ .

Средневыпрям­ленное напряжение в схемах с двухполупериодным выпрямлением вдвое больше по величине, чем в схеме с однополупериодным выпрямлением:

U_CВ = 0,9 U₂ .

Коэффициент пульсаций при двухполупериодном вы­прямлении значительно меньше, чем при однополупериодном:

К_П = U_1Г / U_CВ = 0, 67.

К недостаткам схемы следует отнести более сложное устройство трансформатора.

 2. Однофазный мостовой выпрямитель содержит трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключён блок из четырёх диодов VD1 – VD4 , соединенных по схеме четырёхплечего моста (рис. 19). Нагрузка R _Н включена во вторую диагональ моста между общим катодом диодов VD1 – VD2 (точка 3 ) и общим анодом диодов VD3 – VD4 (точка 4).

 

 

Рис. 19. Схема и осциллограммы двухполупериодного однофазного

мостового выпрямителя

 При включении сетево­го напряжения u ₁ на вторичной обмот­ке трансформатора возникают напряжения u ₂ . В первый полупериод потенциал точки 1 является положительным, а потенциал точки 2 является отрицательным. В этом случае диод VD4 закрыт, а диоды VD1 и VD3 открыты и под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора u ₂₁ в цепи возникает ток i ₂₁ , который проходит через диоды VD1 - VD3 , нагрузку R _Н и вторичную обмот­ку трансформатора. В следующий полупериод полярность на концах вторичной обмотки трансформатора меняется на обратную: диод VD3 за­крывается, а диоды VD2 и VD4 открываются и под действием напряжения вторичной обмот­ки трансформатора u ₂₂ в цепи возникает ток i ₂₂ , который проходит через диоды VD2 - VD4 , нагрузку R _Н и замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, каждые полпериода через нагрузку R_H поочередно, проходят в одном и том же направлении токи i ₂₁ и i ₂₂ , поэтому ток в нагрузке равен их сумме: i н = i ₂₁ + i ₂₂ .

Поскольку практически всегда и первая и вторая половины (ветви или плечи) выпрямителя выполняются одинаковыми, т. е. являются симметричными, то и токи в ветвях выпрямителя также будут одинаковыми i ₂₁ = i ₂₂ .

Мостовая схема аналогична схеме выпрямителя с выводом от среднего витка вто­ричной обмотки трансформатора, поэтому средневыпрям­ленное напряжение и коэффициент пульсаций для обеих схем одинаковы: U_CВ = 0,9 U₂ ; К_П = 0, 67 .

Однако мостовая схема положительно отличается тем, что обратное напряжение на диодах в ней в 2 ра­за меньше, а вторичная обмотка имеет меньше витков и не имеет вывода от среднего витка, что значительно упрощает конструкцию выпрямителя. Кроме того, имеется возможность использования мостовой схемы без тран­сформатора в тех случаях, когда не требуется изменять величину выпрямленного напряжения по сравнению с напряжением питающей сети.

Обе схемы двухполупериодного однофазного выпрямления, широко применяются в выпрямителях мощностью до 1 кВт и на­пряжением от нескольких вольт до нескольких киловольт. Для получения более мощных источников питания постоянного тока используют трёхфазные выпрямители, а также преобразовательные устройства, изготовляемые на базе тиристоров.