Однофазные и трехфазные выпрямители

Для выпрямления однофазного тока широко применяют однополупериодные выпрямители и два двухполупериодных выпрямителя.

Для надёжной работы диодов в выпрямителях необходимы два условия:

Если амплитудное значение выпрямленного напряжения превышает U_обр.max, то можно включить последовательно два и больше однотипных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться обратно пропорционально сопротивлению диодов. Параллельно этим диодам включаются шунтирующие резисторы сопротивлением

для выравнивания обратных напряжений.

Выпускаются полупроводниковые столбы. Это группа последовательно соединенных диодов, которые помещены в один корпус. Такие столбы выдерживают .

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее распространение получила мостовая схема.

Рисунок 2 — Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б) мостового выпрямителя

Промышленностью выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор R_Н. В каждый из полупериодов напряжение U_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя.

При этом ток в резисторе R_н имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод.

Рисунок 3 — Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б) диаграммы напряжений и токов (в) выпрямителя с выводом средней точки; трёхфазного выпрямителя с нейтральным (г) выводом трансформатора

Характеристики выпрямителя с выводом средней точки те же, что и у мостового выпрямителя, за исключением напряжения U_обр.max .

При коэффициент пульсаций р ≈0,67.

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существуют два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

Здесь диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток более положительный, чем двух других.

Коэффициент пульсации р ≈ 0,25.

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, в которых I_н.ср ≈ сотни А, а U_н.ср ≈ десятки кВ.

Трехфазный мостовой выпрямитель (предложен в 1923 году А.Н.Ларионовым) по всем показателям превосходит рассмотренный трехфазный выпрямитель.

Рисунок 4 — Схема (а) и динамические диаграммы (б) напряжений и токов трёхфазного мостового выпрямителя

Диоды VD₁, VD₃, VD₅ образуют положительный полюс на нагрузочном резисторе R_Н, а общая точка диодов VD_2, VD_4, VD₆ – отрицательный полюс на нем. Коэффициент пульсации р = 0,057;

Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению близкому к U_н.ср. КПД выпрямителя А.Н. Ларионова больше, чем КПД выпрямителя с нейтральным выводом, так как в мостовом выпрямителе, нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

2. Сглаживающие фильтры

Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр - это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя.

Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рисунок 5):

 

Рисунок 5 — Процесс фильтрации

 

Качество сглаживающих свойств фильтров (коэффициент сглаживания ) можно оценить по следующей формуле:

где S - коэффициент сглаживания,

Kп.вх - коэффициент пульсации на входе,

Kп.вых - коэффициент пульсации на выходе.

Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U₁₂<<u_{11, U02 приблизительно равно U01.</u}

_{Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).}

_{Фильтры можно классифицировать следующим образом:}

_{1. По частотному составу различают:}

_{а) низкочастотные}

_{б) высокочастотные}

_{2. По принципу действия:}

_{а) пассивные}

_{б) активные}

_{3. По степени сложности:}

_{а) простые (однозвенные)}

_{б) сложные (многозвенные или резонансные);}

_{4. По конструктивному исполнению:}

_{а) LC-фильтры}

_{б) RC-фильтры.}

_{При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:}

_{- минимальная стоимость;}

_{- минимальная масса;}

_{- минимальные габариты;}

_{Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.}

_{Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.}

_{Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 6.}

_{Рисунок 6 — Сложные (многозвенные) фильтры.}

_{Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 7:}

_{Рисунок 7 — Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра}

_{На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 8:}

 

_{Рисунок 8 — Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки Rн}

 

_{При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рисунок 9):}

 

_{Рисунок 9 — Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром}

_{Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) - короткий отрезок пилообразного напряжения 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. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.}

 

Стабилизаторы напряжения