Выпрямители

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Полупроводниковые выпрямители широко применяются в тех областях, где требуется соответствующее электропитание: электропривод постоянного тока различного назначения, электролизные установки в цветной и химической промышленности, системы возбуждения синхронных машин и др.

Основными составными частями выпрямителя являются трансформатор, блок вентилей, фильтр и стабилизатор напряжения.

Трансформатор предназначен для создания на входе блока вентилей напряжения заданной величины, а также для гальванической развязки питающей сети и цепи нагрузки.

Блок вентилей обеспечивает протекание в цепи нагрузки тока одного направления. Выпрямительные свойства блока вентилей обусловлены односторонней проводимостью p-n перехода диодов, из которых он состоит, и схемой их включения.

Фильтр предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе блока вентилей. В качестве фильтров часто используют дроссели (катушки индуктивности) и конденсаторы.

Стабилизатор поддерживает постоянство выпрямленного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки.

По числу фаз питающего напряжения выпрямители различают однофазные и трехфазные выпрямители, а в зависимости от особенностей работы – однополупериодные и двухполупериодные, однотактные и двухтактные.

Рис. 1. Однофазные выпрямители:

а – однотактный однополупериодный;

б – однотактный двухполупериодный (со средней точкой);

в – двухтактный двухполупериодный (мостовой);

г-д – временные диаграммы напряжений и токов для однополупериодного (г) и двухполупериодного (д) выпрямления.

К однотактным (рис. 1,а-б) или двухтактным относят выпрямители, у которых в каждой вторичной обмотке трансформатора за полный период изменения напряжения ток протекает, соответственно в одном направлении или дважды за период в противоположных направлениях.

В двухтактных выпрямителях блоки вентилей строят по мостовой схеме (рис. 1,в).

В однотактных выпрямителях отношение частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети равно числу фаз вторичной обмотки трансформатора.

Одно- и двухполупериодными называют выпрямители, в которых за полный период изменения напряжения ток через нагрузку протекает, соответственно, в течение одного (рис. 1, г) и двух полупериодов (рис. 1,д).

Выпрямители могут быть построены на управляемых (тиристоры, транзисторы) и неуправляемых (диоды) вентилях. Выходные параметры выпрямителя, диапазон регулирования, условия работы вентилей и трансформатора зависят от характера нагрузки.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 1-а. В этой схеме вторичная обмотка трансформатора VT, диод VD и нагрузка R_н включаются последовательно. Под действием вторичного напряжения u ток в цепи нагрузки протекает только в течение тех полупериодов, когда к диоду VD приложено прямое напряжение. При указанном на схеме условном положительном направлении напряжения u ток в цепи будет протекать только в положительные полупериоды (рис. 1-г). В отрицательные полупериоды ток в цепи близок к нулю.

В схеме однофазного однополупериодного выпрямителя среднее значение тока диода VD соответствует току нагрузки, так как они соединены последовательно.

I_VD0I_нo. (1.1)

Так как обратное сопротивление диода несоизмеримо больше сопротивления нагрузки R_н, максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения U_m на вторичной обмотке:

U_oбр maxU_mU_нo. (1.2)

Однополупериодная схема весьма проста, однако обладает серьезными недостатками: по вторичной обмотке трансформатора протекает выпрямленный ток, вызывающий дополнительное намагничивание сердечника, велики пульсации выпрямленного напряжения. В связи с эти подобные схемы применяются достаточно редко для питания неответственных потребителей, не требующих качественного выпрямленного напряжения.

Схема однофазного выпрямителя со средней точкой показана на рис. 1-б. В этой схеме вторичная обмотка трансформатора VT имеет две одинаковые секции, которые соединяются последовательно-согласно, образуя среднюю точку. Сопротивление нагрузки R_н включено между средней точкой вторичной обмотки и общей точкой соединения катодов вентилей VD1 и VD2. Аноды этих вентилей подключены к свободным выводам частей вторичной обмотки. По контуру обмотки в целом вентили VD1 и VD2 включены взаимно встречно и тока не проводят. В то же время отдельные секции обмотки имеют возможность вызывать ток через соответствующие диоды и общую нагрузку. В отрицательные полупериоды напряжение u верхней секции обмотки, а в положительные полупериоды напряжение u нижней секции обмотки попеременно смещают вентили VD1 и VD2 в прямом направлении, вызывая ток через нагрузку (рис. 1,д). Таким образом, получается двухполупериодное выпрямление.

Среднее значение силы тока, протекающего через диоды VD1 и VD2 в два раза меньше тока нагрузки:

I_VD0I_нo/2. (1.3)

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению ЭДС одной секции вторичной обмотки: U_oбр max=Е_2m. В идеальном выпрямителе оно связано со средним значением напряжения на активной нагрузке выражением:

U_oбр maxU_нo/2. (1.4)

Выпрямители со средней точкой обычно применяются для питания потребителей относительно небольшой мощности (электронной аппаратуры, зарядных устройств и т.п.).

Схема мостового выпрямителя показана на рис. 1,в. Блок вентилей в этом выпрямителе состоит из катодной и анодной групп. У вентилей катодной группы (VD1, VD2) в общую точку соединены катоды, у вентилей анодной группы (VD3, VD4) – аноды. Нагрузка R_н включается между общими точками катодной и анодной групп вентилей. Вторичная обмотка трансформатора VT подключается параллельно этим группам (в другую диагональ диодного «моста»).

В мостовой схеме, вентили открываются попарно: один (с наиболее положительным потенциалом анода) – из катодной группы, другой (с наиболее отрицательным потенциалом катода) – из анодной группы. Диаграммы, иллюстрирующие работу этой схемы, соответствуют рис. 1,д.

В положительные полупериоды напряжения u, ток протекает через вентили V1 и V4; когда напряжение меняет полярность, ток протекает через вентили V2 и V3, так что в нагрузке ток сохраняет неизменное направление.

Поскольку в мостовом выпрямителе на блок вентилей подается одно напряжение, а не два, как в схеме со средней точкой, диодный мост может работать непосредственно от сети без трансформатора. Однако при этом питающая сеть гальванически связана с цепью нагрузки.

Мостовые выпрямители широко применяются в промышленной электронике как для питания устройств небольшой и средней мощности, так и для питания мощных потребителей: двигатели постоянного тока, электролизные ванны и т.п.

Поскольку через каждый диод ток протекает только один полупериод, а через резистор нагрузки – оба полупериода, среднее значение тока, протекающего через отдельные диоды, в два раза меньше тока нагрузки:

I_VD0I_нo/2. (1.5)

В мостовом выпрямителе в любой момент времени обратное напряжение приложено к двум последовательно соединенным закрытым диодам. Если обратные ветви их вольт-амперных характеристик идентичны, то максимальное обратное напряжение на каждом диоде будет равно половине амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки: U_oбр max=Е_2m/2. В таком выпрямителе оно связано со средним значением напряжения на активной нагрузке выражением:

U_oбр maxU_нo/4. (1.6)