4.2. Выпрямители и их назначение

Все типы выпрямителей делятся на неуправляемые и управляемые (регулируемые). Вентильное звено в неуправляемых выпрямителях выполняются на диодах, а в управляемых - на тиристорах. В зависимости от количества выпрямленных полупериодов выпрямители подразделяются на: однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные).

Однополупериодный выпрямитель (рис. 4.2 а) применяется в основном при работе на нагрузку емкостного характера, в редких случаях - на чисто активную нагрузку.

а)

б )

VD4 VD1

VD3 VD2

в)

Рис. 4.2. Основные схемы выпрямителей переменного напряжения: а) однополупериодная; б) двухполупериодная; в) мостовая схема.

Его достоинствами являются: простота, минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформа­тора. Он работает следующим образом. При положительной полуволне (рис. 4.3 а) положительный потенциал на вторичной обмотке трансформатора смещает диод VD в прямом направлении и через диод в нагрузку протекает ток. При обратной полярности напряжения во вторичной обмотке диод закрывается и ток в цепи практически отсутствует. Для уменьшения пульсаций на выход выпрямителя подключается конденсатор большой емкости. Процесс заряда и разряда конденсатора показан на рис. 4.3 а.

К существенным недостаткам однополупериодной схемы относятся: высокий коэффициент пульсации, низкая частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту, совпадающую с часто­той питающего выпрямитель напряжения); высокое обратное напря­жение на диоде; плохое использование тран­сформатора, так как его габаритная мощность более чем в три раза превышает мощность, отдаваемую в нагрузку на постоянном токе; подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Перечисленные недостатки являются причиной ограниченного при­менения однополупериодных выпрямителей.

Двухполупериодная схема со сред­ней точкой (рис. 4.2 б) представляет собой два параллельно включенных однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно через полпериода выпрямляемого напряжения. Во вторичной обмотке трансформатора формируется относительно средней точки двухполярное напряжение. При положительной полярности в первой обмотке открывается верхний диод. Через него в нагрузке протекает ток. При отрицательном полупериоде диод VD1 закрывается и открывается диод VD2. Через во втором полупериоде в нагрузку течет ток. Выпрямители такого вида используется в основном при нагрузке емкостного или индуктивного характера, при активной нагрузке применяется редко. Эпюры напряжений двухполупериодной схемы показаны на рис. 4.3 б.

а)

б)

Рис. 4.3. Эпюры напряжений выпрямителей: а) однополупериодная схема; б) двухполупериодная схема

Основными преимуществами схемы по сравнению с однополупериодной являются: меньший коэффициент пульсаций; повышенная частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту 100 Гц, вдвое большую частоты питающего нап­ряжения); возможность использования вентилей с общим катодом или анодом (при использовании полупроводниковых диодов - применять общий радиатор).

Основными недостатками схемы являются: усложнен­ная конструк­ция трансформатора из-за наличия вторичной обмотки со средним выводом.

Мостовая схема (рис. 4.2 в) из всех двухполупериодных схем выпрямителей, работающих от однофазной сети, обладает наилучшими технико-экономическими показате­лями. Она работает следующим образом. При положительной полуволне во вторичной обмотке трансформатора ток протекает через диод VD1, сопротивление нагрузки, диод VD3 ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора. При изменении полярности напряжения ток протекает через диод VD4, сопротивление нагрузки, диод VD 2 ко второму выводу трансформатора. Мостовые выпрямители применяется в основном при нагрузке с емкостной или индуктив­ной нагрузкой, реже при активной нагрузке.

В сравнении с предыдущей схемой она не требует усложнения трансформатора, характеризуется лучшим его использованием, допус­кает работу без трансформатора, обеспечивает вдвое меньшее обрат­ное напряжение на диодах.

Недостатки схемы: большое число вентилей, повышенное прямое падение напряжения на вентильном звене, невозможность установ­ки полупроводниковых диодов на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

Для выпрямления напряжения трехфазной сети используется специальные двухполупериодные схемы выпрямления. В качестве примера на рис. 4.4 представлена схема Ларионова.

Рис. 4.4. Схема Ларионова двухполупериодного выпрямителя трехфазной сети.

Выпрямитель с удвоением напряжения. С его помощью можно получать выпрямленные напряжения, значения которых существенно больше действующего значения переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора питания.

Выпрямитель состоит из двух диодов, которые работают поочередно; во время полупериодов питающего напряжения одного знака импульсами прямого тока через диод VD1 заряжается конденсатор С1 (рис. 4.5), а во время полупериодов обратного знака через диод VD2 заряжается конденсатор С2. Так как эти конденсаторы по отношению к нагрузке выпрямителя соединены между собой последовательно, на ней получается удвоенное напряжение.

Выпрямители с умножением напряжения используются в высоковольтных схемах, потребляющих сравнительно небольшой ток (как правило, не превышающий 10мА). Наибольшее распространение получили схемы удвоения и утроения напряжения и кратные им.

Рис. 4.5. Выпрямитель с удвоением напряжения

Схема умножителя напряжения приведена на рис. 4.6. Эта схема работает следующим образом. Положительный импульс, снимаемый с верхней обмотки трансформатора (в телевизоре с выходного трансформатора строчной развертки) через диод VD1 заряжает конденсатор С₁ до амплитудного напряжения Е_m. Во второй полупериод напряжение на обмотке меняет полярность.

Рис. 4.6 Схема умножитель напряжения кратного двум и трем.

Диод VD1 запирается. Напряжение на конденсаторе С₁ складывается с напряжением на обмотке Еm и прикладывается к диоду VD2. Конденсатор С₂ заряжается практически до удвоенной амплитуды импульсного напряжения. Последующие конденсаторы заряжаются до 2Е_m. Емкость в схеме умножения зависит от тока нагрузки, частоты питающего напряжения и допустимой амплитуды пульсаций.

Такие схемы получили широкое распространение для питания высоковольтных низкоточных цепей телевизоров, осциллографов и др.

Например: УН8/27-1,3 - умножитель напряжения строчной развертки телевизора с напряжением на выходе более 20 кВ).

Составной частью выпрямителей являются пассивные сглаживающие фильтры (СФ) (рис. 4.7)

Сглаживающим фильтром называется устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя и получения напряжения, близкого к постоянному. В качестве фильтрующих устройств используют фильтры низких частот на основе резисторов и пассивных реактивных элементов L, C. В фильтрах - конденсатор включается параллельно нагрузке, а дроссель - последовательно. Простейшим фильтром является конденсатор. Процессы зарядки и разрядки конденсатора, показанные на рис. 3.3, уменьшают уровень пульсаций на выходе выпрямителя.

В простом LC-фильтре (рис. 4.7 в) в качестве индуктивности используется дроссель на магнитопроводе, в котором для ослабления его подмагничиваиия постоянным током нагрузки выпрямителя обычно спе­циально вводится немагнитный зазор. Фильтр может быть Г-образным (рис. 3.7 в) и двухзвенным (Рис. 3.7 б,г).

Эффективность сглаживающих фильтров оценивается коэффициентом сглаживания. Он показывает во сколько раз уменьшается амплитуда пульсация напряжений на выходе фильтра по сравнению с амплитудой пульсаций на его входе.

Q Контрольные вопросы.

1. Как выпрямители подразделяются?

2. Как работает однополупериодный выпрямитель?

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

Рис. 4.7 Сглаживающие фильтры: а) емкостной; б) П-образный RC-фильтр; в) Г-образный LC-фильтр; г) П-образный LC-фильтр.

3. Какие преимущества двухполупериодной схемы выпрямления по сравнению с однополупериодной?

4. Какой выпрямитель обладает наилучшими технико-экономическими показате­лями.

5. Способы выпрямления напряжения трехфазной сети.

6. Какое устройство называется сглаживающим фильтром?