11. Выпрямители

Выпрямители используют для преобразования переменного напряжения электрической сети в постоянное напряжение нужного уровня.

Обычно выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной (диодной) группы, сглаживающего фильтра и, в случае необходимости, стабилизатора напряжения. Главным элементом выпрямителя является вентильная группа. Другие элементы могут быть отсутствующими.

Показатели качества работы выпрямителя оцениваются коэффициентом пульсаций выпрямительного напряжения, стабильностью исходного напряжения, коэффициентом полезного действия. При выборе схемы выпрямителя следует учитывать ее сложность (простоту) и стоимость ее реализации. Для питания электронных устройств обычно необходимо обеспечивать коэффициент пульсации по первой гармонике р₁ = 0,02÷0,05.

Наиболее распространенной схемой выпрямителя является однофазная мостовая схема на четырех диодах, в которой среднее и действующее значения выпрямленного напряжения описываются уравнениями

_,

где U_2m – амплитуда напряжения питания вентильной группы. Коэффициент пульсации р и коэффициент пульсации по первой гармонике р₁ исходного напряжения в мостовой схеме без сглаживающего фильтра соответственно равняются и , где т − кратность частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети.

Применение выпрямителей с питанием вентильных групп от трехфазных трансформаторов разрешает:

− уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения;

− уменьшить расчетную мощность трансформатора;

− создать одинаковую нагрузку для всех трех фаз сети, которая имеет важное значение в случае большой мощности выпрямителя.

Наименьшие значения коэффициента пульсации дает применение трехфазной мостовой схемы, вентильная группа которой состоит из шести диодов. Коэффициент пульсации р и коэффициент пульсации по первой гармонике р₁ исходного напряжения в трехфазной мостовой схеме без сглаживающего фильтра соответственно равняются р=0,14 и .

Ни одна из схем выпрямления без сглаживающих фильтров не обеспечивает коэффициент пульсации с первой гармоникой р₁ = 0,02÷0,05, необходимый для питания современных электронных устройств. Поэтому для уменьшения пульсаций исходного напряжения выпрямителя используют сглаживающие фильтры.

Простейшим фильтром является конденсатор, который включают параллельно нагрузке. Тогда напряжение на нагрузке u_d пульсирует значительно слабее, чем напряжение u₂ трансформатора питания. В процессе работы конденсатор периодически заряжаеться, если ЭДС е₂ трансформатора становится больше напряжения на конденсаторе и_d и разряжается на нагрузку R, если е₂ < u_d. Ток через вентили протекает теперь импульсами и только во время заряда конденсатора. Ясно, что импульсы тока через диоды могут значительно превышать средний прямой ток диода. Наибольший же импульс тока через диоды проходит сразу после включения трансформатора в сеть, если конденсатор еще не заряжен. Поэтому чисто емкостный фильтр применяют, если мощность нагрузки Р<300 Вт.

Для приемников с мощностью Р>300Вт используют сглаживающие индуктивные фильтры, которые представляют собой дроссель L_Ф, включенный последовательно с нагрузкой R. Вследствие электромагнитной инерционности цепи L_Ф − R ток і_d изменяется с опозданием по отношению к напряжению, не успевая уменьшиться до нуля и пульсации тока значительно уменьшаются. Эффективно можно уменьшать пульсации с помощью комбинированных L-С фильтров. В них параллельно сопротивлению нагрузки включается конденсатор. Можно включить еще один конденсатор перед дросселем, на выходное напряжение вентильной группы. Это дает возможность уменьшить габариты и массу дросселя.

Внешние характеристики выпрямителей представляют собой зависимости среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки. Наклон внешней характеристики определяет стабильность исходного напряжения выпрямителя при колебаниях нагрузки. В случае однофазного мостового выпрямителя с простым конденсаторным фильтром в зависимости от сопротивления нагрузки выходное напряжение может меняться почти в полтора раза, причем с увеличением тока нагрузки возрастают и пульсации выпрямленного напряжения. Поэтому использование простого конденсаторного фильтра неприемлемо с точки зрения стабильности напряжения, если нагрузка выпрямителя в процессе работы изменяется.