Вопрос 1. Выпрямление сигналов, выпрямители, их достоинства и недостатки. Эпюры напряжения и токов.

 

  Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

     Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

     Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

1.1 Однополупериодный выпрямитель. Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод.

 

Рисунок 1.1- Однополупериодный выпрямитель.

     Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Эпюры его показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 -   Эпюры однополупериодного выпрямителя.

    Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети - 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

    Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

     К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

     1.2. Двухполупериодные выпрямители. Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца.

    Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

   Далее на рисунке 1.3. показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

  Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть как работает двухполупериодная схема можно по рисунку 1.4.

Рисунок 1.3 -  Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Рисунок 1.4 - Эпюры двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

  Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше "провалов" напряжения - тех самых пульсаций.

    Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов - общий (как правило катод).

  Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема (Рис.1.5).

     Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Рассмотрим схему мостового выпрямителя – рис.1.5. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе стоит C-фильтр в виде электролитического конденсатора для сглаживания пульсаций напряжения.

Рисунок 1.5 -  Мостовая схема выпрямителя.

Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения. Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 - 1,2 V (зависит от типа диода). При использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

1.3. Трёхфазные выпрямители. Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова.

Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 -  Трёхфазная схема выпрямители Миткевича

 

    Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

     Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка 1.7.

Рисунок 1.7 -  Трёхфазная схема выпрямители Ларионова

 

     В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода.

    Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

 

Вопрос 2. Примеры расчета выпрямителей.

 

Задача 1. Схема выпрямителя с П-образным индуктивно-емкостным фильтром приведена на рис. 5. Номинальное напряжение нагрузки 100 В, номинальная мощность – 50 Вт, допустимый коэффициент пульсации 0,5%, напряжение сети переменного тока 220В при частоте 50 Гц.

Выбрать тип вентилей, определить расчетную мощность и коэффициент трансформации трансформатора, параметры фильтра.

U 1

U d

U 2

I 2

I a

VD 1

VD 2-3

220/110B S н=63 ВА

VD 4

КД 105Б

L ф=0.3 Гн

100 мкФ

С 2

С 1

R н

I d

 

 

                                            Рисунок 2.1 – Схема выпрямителя

 

РЕШЕНИЕ.

1. Выбор вентилей.

Ток нагрузки

Для однофазного мостового выпрямителя среднее значение прямого тока через вентиль

Обратное максимальное напряжение на вентиле

Выбираем вентили КД105Б, для которых

2. Определение параметров трансформатора.

Для однофазного мостового выпрямителя действующее значение вторичного напряжения

Откуда коэффициент трансформации

Расчетная мощность

Выбираем трансформатор

                                 U ₁/ U ₂ = 220/110 B;

                      

3. Определение параметров фильтра.

Коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя

Требуемый коэффициент пульсаций

Коэффициент сглаживания фильтра

П-образный фильтр состоит из простого C -фильтра и Г-образного LC -фильтра. Его коэффициент сглаживания

Принимаем емкость конденсаторов фильтра C ₁ = C ₂ = 100 мкФ. Тогда

,

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период;

R _н – сопротивление нагрузки:

Тогда коэффициент сглаживания LC -фильтра

Для LC -фильтра

При C ₂ = 100 мкФ

Параметры фильтра C ₁ = C ₂ = 100 мкФ, L _ф = 0,3 Гн удовлетворяют условиям эффективной работы:

и .

Задача 2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с нулевой точкой и Г- образным LC-фильтром приведена на рис.1.1. Номинальное напряжение нагрузки Ud=150 В, номинальная мощность нагрузки Pн=150 Вт, допустимый коэффициент пульсации Кп₂=3,0 %, напряжение сети переменному току =220В, при частоте f=50 Гц.

Выбрать тип вентилей, рассчитать расчётную мощность и коэффициент трансформации трансформатора, параметры фильтра.

Решение.

1. Выбор типа вентилей.

                                Ток нагрузки равен:

 

.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя с нулевой точкой средний ток через вентиль равен

.

Обратное максимальное напряжение на вентиле равно:

Исходя из условий выбираем из справочника силовой диод КД206В со следующими характеристиками: .

2. Определение параметров трансформатора.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя действующее значение вторичного напряжения:

                                                                    

Определим коэффициент трансформации трансформатора:

.

Определим мощность трансформатора для данного типа выпрямителя:

.

Выбираем трансформатор

3. Рассчитаем амплитуды тока и напряжения при работе выпрямителя без фильтра:

;   .

Значения напряжения и тока на нагрузке после фильтра равно средневыпрымленному значению:

,

.

4. Определение параметров фильтра.

Коэффициент пульсаций на выходе данного типа фильтра .

Требуемый коэффициент пульсаций:

Коэффициент сглаживания на выходе данного типа фильтра:

LC-фильтр представим как С-фильтр и L-фильтр. Их совместный коэффициент сглаживания

.

Примем ёмкость конденсатора Сф=100 мкФ. Тогда

,

где m=2- число пульсаций за период выпрямленного напряжения;

Тогда коэффициент сглаживания L фильтра равен:

.

Выразим L из ,получим

Принимаем параметры фильтра L_ф=3,7 мГн, С_ф=100 мкФ.

Временная диаграмма тока и напряжения на нагрузке на рис.2.2.

 

 

Рисунок 2.2. Временная диаграмма.