НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение.

Различают неуправляемые и управляемые выпрямители. На выходе неуправляемого выпрямителя формируется постоянное (выпрямленное) напряжение, значения которого однозначно определяется значением напряжения на входе выпрямителя. В управляемом выпрямителе применяются регулируемые ключевые элементы, позволяющие изменять значение выходного (выпрямленного) напряжения, при неизменности входного напряжения.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители разделяют на однополупериодные и двухполупериодные. Кроме того, в зависимости от числа фаз первичного источника питания различают однофазные и многофазные выпрямители.

Основными параметрами неуправляемых выпрямителей являются U_ср. – среднее (номинальное) значение выпрямленного напряжения, а также I_ср – среднее (номинальное) значение выпрямленного тока. Частота наиболее выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя называется частотой пульсаций. Для однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного переменного напряжения выпрямителя. Двухполупериодная схема дает пульсации, частота которых равна удвоенной частоте входного переменного напряжения выпрямителя.

Внешней характеристикой выпрямителя (рис. 1) называют зависимость напряжения на выходе выпрямителя от величины выпрямленного тока U_Н = ƒ(I_Н).

1 – без фильтра; 2 – с С -фильтром; 3 – с RC -фильтром.

Рис. 1

Уменьшение выходного напряжения выпрямителя с ростом тока нагрузки обусловлено тем, что реальные трансформаторы и диоды имеют определенные величины сопротивлений R_тр и R_пр. На этих сопротивлениях происходит падение напряжения от тока I_н, приводящее к уменьшению напряжения на нагрузке U_н.

; (1)

где

U_нх – напряжение холостого хода, т.е. напряжение на выходе выпрямителя при I_н =0.

Для однополупериодного выпрямителя:

U_нх = 0,45 U_2хх . (2)

Для двухполупериодного выпрямителя:

U_нх = 0,9 U_2хх ;(3)

где

U_2хх – напряжение холостого хода на вторичной обмотке трансформатора.

При работе выпрямителя на C -фильтр, выходное напряжение при холостом ходе на выходе выпрямителя U_н = U_2max, так как в отсутствии тока I_Н конденсатор С_ф заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки U₂. В этом случае при росте тока нагрузки (график 2) выпрямленное напряжение падает более резко, чем без фильтра (график 1). Это объясняется увеличением падения напряжения на вторичной обмотке трансформатора и прямом сопротивлении диода, а также уменьшением постоянной времени разряда емкости = R_Н С_Ф. Еще большее снижение напряжения наблюдается при работе выпрямителя на RC фильтр (график 3), что вызвано падением напряжения на резисторе фильтра R_ф. Внешняя характеристика определяет границы изменения нагрузочного тока, при котором выпрямленное напряжение не ниже заданной величины.

Однополупериодный выпрямитель. Схема и временные диаграммы, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя, представлены на рисунке 2.

а) схема б) выходное напряжение

Рис. 2.

В первом полупериоде входного сигнала диод выпрямителя включен прямо, следовательно, ток и напряжение на нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. Во втором полупериоде диод смещен обратно и напряжение на нагрузке равно нулю.

Таким образом, среднее значение напряжения на выходе схемы будет равно:

. (4)

Среднее значение выпрямленного тока:

. (5)

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

. (6)

Коэффициент пульсаций:

q =1,57.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Недостатком – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленных тока и напряжения.

Двухполупериодные выпрямители в основном строятся по одной из следующих схем:

- схема с выводом от средней точки трансформатора;

- мостовая схема;

- схема с удвоением напряжения.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом от средней точки трансформатора (рис. 3).

а) схема б) диаграммы, поясняющие

принцип работы

Рис. 3.

Средняя точка трансформатора делит напряжение на вторичной обмотке трансформатора на два противофазных напряжения U₂₁ и U₂₂, которые подаются на диоды. Таким образом, эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих попеременно на общую нагрузку R_н.

Во время первого полупериода входного сигнала, VD1 открыт, а VD2 закрыт и на нагрузку проходит напряжение U₂₁. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна напряжения U₂₂.

Схема имеет следующие параметры:

- среднее значение напряжение на выходе схемы:

U_ср = 0.9 U₂ ; (7)

- среднее значение выпрямленного тока:

; (8)

- действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

I₂ = 0.78 I_ср; (9)

- коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя

q =0,667.

Достоинствами данной схемы по сравнению с однополупериодной схемой являются:

- удвоенные значения напряжения и тока на выходе схемы U_ср и I_ср;

- вдвое меньший коэффициент пульсаций.

Недостатки схемы:

- наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели);

- увеличенное в два раза обратное напряжение на диодах.

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рис. 4). Во время положительного полупериода входного напряжения (в точке В (+), а в точке А (-)), диоды VD2 и VD3 открыты, а диоды VD1, VD4 закрыты. Ток проходит по цепи: от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD3, сопротивление нагрузки R_н, диод VD2 на минус вторичной обмотки. Во время отрицательного полупериода ток протекает по цепи: от плюса обмотки (точка А) через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 на минус вторичной обмотки (точка В). Направление тока через нагрузку в обоих полупериодах одинаковое, значит одинаковая и полярность выходного напряжения (рис.4б).

а) схема б) выходное напряжение

Рис.4.

Схема мостового выпрямителя имеет такие же соотношения для токов и напряжений, как и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора, рассмотренная выше.

Сравнение мостовой схемы и схемы со средней точкой. Для получения одинакового выходного напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка трансформатора должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора, а к диодам прикладывается вдвое большее обратное напряжение. Учитывая эти факторы, предпочтение отдаётся мостовой схеме, которая является наиболее распространенной. Недостаток мостовой схемы – вдвое большее количество диодов.

Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения (рис. 5) применяется в выпрямителях, на выходе которых надо получить повышенные напряжения. Преимущество схемы заключается в возможности построения высоковольтного бестрансформаторноговыпрямителя.

Рис.5.

В первый полупериод напряжения на вторичной обмотке трансформатора заряжается конденсатор C1 через диод VD1, а за второй полупериод заряжается конденсатор C2 через диод VD2. Выпрямленное напряжение снимается с обоих конденсаторов, включенных последовательно, поэтому выходное напряжение выпрямителя практически равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. К закрытому диоду прикладывается обратное напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторе и обмотке трансформатора.

Сглаживающие фильтры.

Напряжения на выходе выпрямителей пульсирующие, оценку таким пульсациям дают с помощью коэффициента пульсаций q. Почти любую периодическую функцию можно представить суммой отдельных составляющих – некоторого среднего (постоянного) значения и гармонических составляющих (синусоид и косинусоид с различными амплитудами и частотами). Такое разложение сигнала на гармонические функции носит название прямого преобразования Фурье, сами гармонические функции называются гармониками, а функция с наибольшей амплитудой называется основной гармоникой.

Формула ряда Фурье

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения получают из разложения полученной на выходе выпрямителя функции Uвых(t) в ряд Фурье (это возможно, так как функция – периодическая). Коэффициент пульсаций q определяют как отношение амплитуды основной гармоники пульсирующего напряжения к его среднему значению Uн ср.

 

Напряжение на выходе однополупериодного выпрямителя пульсирует с частотой входного сигнала, поэтому основной гармоникой будет первая гармоника и коэффициент пульсаций напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя

q1п/п = 1,57.

Напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя пульсирует с двойной частотой, поэтому основной гармоникой будет являться вторая гармоника в разложении ряда Фурье. Коэффициент пульсаций на выходе мостового выпрямителя равен

q2п/п = 0,667.

Пульсирующее напряжение не может быть использовано в качестве питающего напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют специальные электронные схемы – сглаживающие фильтры, которые включаются после выпрямителей. Процесс уменьшения пульсаций называется сглаживанием.

 

Фильтры предназначены для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Так как пульсирующее напряжение состоит из постоянной и переменной составляющей, то задачей сглаживающего фильтра является «заглушение» переменного компонента пульсирующего напряжения. Различают фильтры на пассивных элементах – емкостные (С), резистивно-емкостные (R-С), индуктивно-емкостные (L-C) и на активных элементах – транзисторные.

 

 

 

 

 

 

Работу фильтра рассмотрим на примере работы емкостного С-фильтра. Емкостной фильтр подключается параллельно к выходу выпрямителя.

 

Однополупериодный выпрямитель с С-фильтром

 

Процесс заряда и разряда конденсатора протекает по экспоненциальному закону с постоянной времени

,

где R – сопротивление цепи, по которой протекает ток заряда (разряда), C - емкость конденсатора.

 

 

Заряд и разряд конденсатора

 

При условии, что сопротивление конденсатора Xc<<Rн, время заряда (разряда) конденсатора практически определяется как 3RC.

Сглаживание происходит следующим образом.

Когда на вход диода VD1 подано положительное напряжение U2, диод открыт и пропускает ток. Конденсатор С начинает заряжаться по цепи «+» → VD1→ C → «-» с постоянной времени , где - сопротивление открытого диода, - емкость конденсатора. Заряд конденсатора идет быстро, так как сопротивление открытого диода мало.

Процесс заряда конденсатора продолжается до того момента, когда потенциал точки А и напряжение заряжающегося конденсатора сравняются. После этого потенциал точки А становится меньше напряжения на конденсаторе С и диод закрывается и, соответственно, подача тока, заряжающего конденсатор, прекращается.

Разряд конденсатора происходит через сопротивление нагрузки Rн с постоянной времени =RнC. Этот процесс продолжается до момента t1, когда напряжение на конденсаторе С будет больше потенциала точки А. Как только напряжение разряда конденсатора сначала сравняется, а потом станет меньше потенциала точки А – диод опять откроется и начнет пропускать ток, а конденсатор, соответственно, начнет заряжаться.

 

 

 

Временная диаграмма напряжения на входе и выходе фильтра

Заряд и разряд конденсатора происходит с разной постоянной времени, т.к. быстрый процесс заряда конденсатора идет через очень маленькое сопротивление открытого диода, а медленный разряд конденсатора - через большое сопротивление нагрузки Rн.

Качество фильтров оценивается по их способности к уменьшению коэффициента пульсаций, т.е. по тому, во сколько раз уменьшаются пульсации при прохождении фильтра. Коэффициент, который дает возможность такой оценки качества фильтра называется коэффициентом сглаживания S

S = qвх ф / qвых ф

где

qвх ф – коэффициент пульсаций выпрямителя, используемого перед фильтром;

qвых ф – коэффициент пульсаций напряжения на выходе фильтра.

Выше отмечено, что коэффициент пульсаций на выходе однополупериодного выпрямителя q1п/п = 1,57, а двухполупериодного (например мостового) выпрямителя q2п/п = 0,667.

У сглаженного напряжения есть и постоянная составляющая и переменная составляющая . Согласно определению коэффициента пульсаций, на выходе фильтра

qф = .

Исходя из вышеизложенного

S=

Для многих электронных устройств коэффициент пульсации питающего напряжения не должен превышать = 10^-2 … 10^-5. Если применения одного сглаживающего фильтра не достаточно для достижения требуемого значения коэффициента пульсаций, то в схему добавляются дополнительные фильтры. При этом совокупный коэффициент сглаживания S равен произведению коэффициентов сглаживания последовательно соединенных фильтров.