Неуправляемые выпрямители

Для преобразования переменного напряжения в постоянное используется выпрямитель.

В состав выпрямителя входят трансформатор и вен­тили, с помощью которых обеспечивается однонаправленное протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобра­зуется в однополярное пульсирующее напряжение.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения использу­ется фильтр. Для регулирования и стабилизации выпрямленного на­пряжения к выходу выпрямителя подключают регулятор и стабилизатор.

Структурная схема выпрямителя без регулировки выходного напря­жения приведена на рис 2.8.

Такие выпрямители используются:

- для питания электронных устройств некритичных к колебаниям питающего напряжения и уровню пульсаций;

- как функциональные силовые узлы стабилизированных источни­ков питания, в том числе достаточно сложных и дорогих.

Рис.2.8. Структурная схема неуправляемого выпрямителя

СТ – силовой трансформатор;

БВ – блок выпрямителя;

Ф – фильтр.

Основные схемы выпрямителей. Различают однофазные и трехфазные схемы выпрямителей. К однофазным выпрямителям относятся:

1) однополупериодная с одним диодом рис. 2.9 применяются в основном при мощностях в нагрузке до 10 – 25 Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинства схемы – минимальное число элементов, малая стоимость. Недостатки – низкая частота пуль­саций (равна частоте питающей сети), плохое использование трансфор­матора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током;

Рис.2.9. Однополупериодная схема выпрямителя.

2) двухполупериодная со средней точкой (рис.2.10) применяется чаще всего при мощностях до 100 Вт. Выпрямители, выполненные по дан­ной схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций. В положительный полу­период сетевого напряжения U_c диод VD₁ открыт (на его аноде положи­тельный потенциал), а диод VD₂ закрыт. При смене полярности сетевого напряжения (отрицательная полуволна) открывается диод VD₂, а диод VD₁ закрывается.

Рис. 2.10 Двухполупериодная схема со средней точкой.

В каждый полупериод сетевого напряжения ток через нагрузку проте­кает в одном направлении и только через один диод. Потери мощности на вентильном комплекте примерно в два раза меньше по сравнению с мосто­вой выпрямительной схемой, в которой ток нагрузки в каждый полупериод сетевого напряжения протекает через два последовательно включенных диода. К недостатку схемы можно отнести обязательное наличие средней точки у вторичной обмотки трансформатора. При необходимости среднюю точку можно получить, если у трансформатора есть две одинаковые вто­ричные обмотки (рис.2.11);

1) мостовая двухполупериодная схема характеризуется более полным исполь­зованием мощности трансформатора. Применяется при мощностях в на­грузке до 1 кВт и более (рис. 2.12). Достоинствами выпрямителей, выполненных по этой схеме, является повышен­ная частота пульсаций, меньшее обратное напряжение на выпрямляющих диодах. К недостаткам относится повышенное падение напряжения на выпрямитель­ном блоке и невозможность установки однотипных диодов на общем радиа­торе без электроизоляционных прокладок.

Рис. 2.12. Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя.

В положительный полупериод напряжения вторичной обмотки U (по­ложительный потенциал на верхнем по схеме выводе) диод VD₂ открыт (на его аноде положительный потенциал). Ток вторичной обмотки протекает через VD₂, конденсатор С и нагрузку, возвращаясь ко вторичной обмотке через диод VD₃. В отрицательный полупериод напряжения U (положи­тельный потенциал на нижнем по схеме выводе) ток протекает через VD₄, C и R_н, возвращаясь к вторичной обмотке через диод VD₁.

В любой полупериод напряжения вторичной обмотки, ток через нагрузку протекает в одном направлении (от точки А к точке В).

2) двухполярная выпрямительная схема позволяет получить два выпрями­тельных напряжения разной полярности (рис. 2.13).

Рис.2.13. Двухполярная выпрямительная схема.

Особенностью схемы является то, что на ее выходе присутствуют два напряжения разной полярности относительно общего вывода (земли). Данную схему можно рассматривать как два мостовых двухполупериод­ных выпрямителя, включенных особым образом. Схема используется при построении двухполярных источников питания, в том числе и стабилизированных.

Симметричная схема с удвоением напряжения (рис.2.14) применяется в основном для питания маломощных устройств, требующих повышен­ного напряжения питания и потребляющих ток в несколько единиц или десятков миллиампер. К таким устройствам можно отнести рентгеновские трубки, электронные лампы и электронно-лучевые трубки.

Рис.2.14 Симметричная схема с удвоением напряжения (схема Латура).

Принцип работы схемы основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий вентиль (диод). По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно, и их напряжение суммиру­ется.

Рассматриваемая схема (рис.2.14) состоит из 2-х однополупериодных выпрями­телей.

Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на конденсаторах С₁ и С₂, каждый из которых заряжается до напряжения U_C1= U_C2 = U_m – U_пр» U_m, где U_m – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, U_пр – прямое напряжение на выпрям­ляющем диоде. При R_н ® ∞ выходное напряжение схемы практически равно 2U_m. Реальное сопротивление нагрузки имеет конечное значение, поэтому заряд одного конденсатора сопровождается одновременным раз­рядом другого через R_н и выходное напряжение становится меньше 2U_m. Для того чтобы напряжение на выходе было максимально приближено к 2U_m необходимо выбирать емкости конденсаторов, удовлетворяющих не­равенству: R_н C₁ >> T, R_н C₂ >> T, где Т-период напряжения сети.

3) несимметричная схема с удвоением напряжения показана на рис.2.15. Как видно из рисунка 2.15, два однополупериодных выпрямителя питаются от разных по величине напряжений. В отрицательный полупериод изменения на­пряжения U конденсатор С₁ заряжается через открытый диод VD₁. При смене полярности напряжения U на противоположную (положительный полупериод) заряжается конденсатор C₂ через открытый диод VD₂, причем до напряжения примерно равного удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки 2U_m. Как следует из рис.2.15, конденсатор С₂ заряжается под действием суммы напряжений вторич­ной обмотки и конденсатора С₁, который в течении предыдущего полу­периода был заряжен до напряжения примерно равного U_m.

Рис. 2.15. Несимметричная схема удвоения напряжения.

При выборе конденсаторов необходимо иметь в виду, что рабочее на­пряжение конденсатора С₂ должно быть в два раза больше, чем рабочее напряжение С₁.

Достоинством схемы является то, что один из выводов вторичной об­мотки трансформатора соединен с отрицательным полюсом нагрузки и его можно заземлить.

Фильтры выпрямителей. Предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до требуемой величины. Важным показателем фильтра является коэффициент сглаживания:

,

где К_п(1)вх, К_п(1)вых – коэффициенты пульсаций входного и выходного на­пряжений (по первой гармонике);

U_вх, U_вых – постоянные составляющие входного и выходного напря­жений;

U_m(1)вх, U_m(1)вых – амплитуды первой гармоники входного и выход­ного напряжений;

l=U_вых/U_вх - коэффициент передачи постоянной составляющей на­пряжения фильтра;

К_ф= U_m(1)вх/ U_m(1)вых – коэффициент фильтрации.

Среднее значение выпрямленного напряжения до и после фильтра равны (U_вх = U_вых), если пренебречь потерями в фильтре. При этом коэф­фициент сглаживания будет равен коэффициенту фильтрации.

Коэффициент пульсации выходного напряже­ния К_пвых для различного рода устройств колеблется в пределах от 0,001 до 0,2 – 0,5.

Характер нагрузки определяет выбор схемы и параметров фильтра. Выходное сопротивление фильтра должно быть минимальным при питании усилителей, работающих в режиме класса В или АВ. В противном случае в усиливаемом сигнале появятся искажения.

Все фильтры делятся на две группы: фильтры с пассивными RLC-элементами и фильтры с активными элементами. RLC-фильтры просты и надежны в эксплуатации. К их недостаткам относится большой вес и габариты, обусловленные наличием конденсаторов и дросселей. Негативное влияние на питаемую РЭА могут оказывать магнитные поля рассеяния дросселя, выполненного с воздушным зазором.

Фильтры с активными элементами (транзисторами) не содержат сгла­живающих дросселей и поэтому не имеют перечисленных недостатков. Кроме этого в транзисторных фильтрах применяются конденсаторы значи­тельно меньшей емкости, чем емкости конденсаторов в аналогичных по параметрам фильтрах с пассивными элементами.

Рассмотрим основные типы пассивных фильтров (рис. 2.16).

Рис 2.16. Основные типы пассивных сглаживающих фильтров.

а – емкостной; б – индуктивный; в – Г-образный;

г – П-образный; д – пробка; е – режекторный.

Действие емкостного фильтра в виде конденсатора, шунтирующего сопротивление нагрузки R_н иллюстрирует рис. 2.17.

Рис 2.17. Емкостной фильтр с активной нагрузкой

а – схема выпрямителя;

б – временная диаграмма работы.

Выпрямленное напряжение вторичной обмотки представляет собой последовательность импульсов (полуволн) положительной полярности (кривая 1 рис.2.17). Конденсатор С в положи­тельные полупериоды напряжения вторичной обмотки запасает энергию и отдает ее в нагрузку в промежутках между импульсами (кривая 2, рис.2.17). В ре­зультате пульсации напряжения на нагрузке значительно уменьшаются и изменение напряжения нагрузки U_н происходит в пределах от U_н.мин до U_н.

Емкостной фильтр наиболее эффективен при малых нагрузках (R_н велико). Индуктивный фильтр напротив эффективен при больших на­грузках (R_н мало). В отличие от емкостного в индуктивном фильтре вы­прямленный ток протекает не импульсами, а непрерывно, что облегчает режим работы диодов и трансформатора.

С целью обеспечения заданного коэффициента пульсаций при одно­полупериодном выпрямлении величину емкости конденсатора емкостного фильтра определяют из соотношения:

,

где w – круговая частота напряжения сети, питающей выпрямитель.

Так как амплитуда основной гармонической составляющей пульсации уменьшается в два раза, емкость фильтра может быть уменьшена почти в 4 раза.

.

Для индуктивного фильтра однофазного двухполупериодного выпря­мителя

.

В случае, когда расчетные значения С и L получаются слишком большими, применяют Г- и П- образные фильтры (рис. 2.16 в,г).

В Г-образном фильтре емкость конденсатора выбирают из условия 1/(w×C) << R_н. При этом

.

П-образный фильтр дает еще более высокий коэффициент сглажива­ния, равный произведению коэффициентов сглаживания двух его звеньев, представленных емкостью С₁ и Г-образной цепочкой LC₂.

В выпрямителях большой мощности применение П-образного фильтра нерационально, так как в этом случае выпрямитель работает на емкостную нагрузку, что ухудшает условия работы диодов и трансформатора.

Для получения высокого коэффициента сглаживания в мощных вы­прямителях целесообразно применять каскадное включение Г-образных фильтров. Результирующий коэффициент сглаживания при этом равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев.

При высоких значениях выпрямленного напряжения (5 – 10 кВ) или при малых значениях выпрямленного тока (до 10 – 20 мА) применяются Г-образные RC-фильтры, в которых вместо индуктивности L включается ак­тивное сопротивление R_ф. Параметры элементов таких фильтров опреде­ляются по формулам:

, ,

где U_вх, U_н – напряжение на входе фильтра и на нагрузке;

I_н – ток нагрузки.

Такие фильтры имеют малые габаритные размеры и низкую стои­мость.

Резонансные фильтры (рис.2.16, д,е) содержат LC-контур, настроен­ный на частоту первой гармоники. Если включить параллельный резо­нансный контур, в котором используется явление резонанса токов, после­довательно с нагрузкой (фильтр-пробка), первая гармоника в цепь на­грузки не пойдет, так как сопротивление резонансного контура для этого тока очень велико. Такой фильтр эффективен при больших сопротивле­ниях нагрузки.

Для низкоомных нагрузок применяют последовательный резонансный контур (режекторный фильтр), включенный параллельно нагрузке. В ре­жекторном фильтре используется явление резонанса напряжений. При этом фильтр шунтирует сопротивление нагрузки и через него проходит первая гармоника выпрямленного тока.

Для фильтрации выпрямленного тока по нескольким гармоническим составляющим используют многозвенные фильтры с последовательно- па­раллельным включением элементарных резонансных звеньев, каждое из которых настроено на определенную резонансную частоту.

Поиск по сайту: