Выпрямители и их основные параметры. Классификация.

Электропитающее устройство состоит из трансформатора, вы­прямительной схемы, фильтра и вспомогательных устройств. При необходимости можно добавить стабилизатор переменного напря­жения на входе (между сетью и трансформатором) или стабилизатор постоянного напряжения на выходе (как правило, после фильтра, только в импульсных стабилизаторах — до фильтра). Изредка применяют в одном электропитающем устройстве оба стабилиза­тора.

Электропитающие устройства (имеются в виду выпрямители без стабилизаторов) в основном различаются по следующим призна­кам: характеристике питающей сети; условной мощности Р_СР на выходе; коэффициенту пульсации на выходе k_П; выходному сопро­тивлению r_ВЬ1Х.

Источники вторичного питания ра­диоэлектронной аппаратуры, к которым относятся выпрямители, по выходной мощности подразделяют на микромощные (до 1 Вт), малой мощности (1—10 Вт), средней мощности (10—100 Вт), повы­шенной мощности (100—1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт).

Выпрямители также делятся по выходному напряжению U_СР; выходному току I_СР; схеме выпрямления; схеме фильтра и роду вентилей. Выходное напряжение до 100 В называют низким, от 100 до 1000 В — средним и свыше 1000 В — высоким. Важными параметрами выпрямителя являются КПД и коэффициент мощности cos .

Классифицируются выпрямительные схемы по числу полупериодов сетевой ЭДС е₁, реализуемых для выпрямления; числу фаз m₁₁ во вторичной обмотке трансформатора; числу выпря­мительных секций (секция — обмотка с принадлежащей ей вентиль­ной группой); схеме соединения секций; числу фаз m₁ в первичной обмотке и числу пульсаций m_n в кривой выпрямленного напряже­ния за период сети (периодичность).

Режим выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, пи­тающихся от однофазной сети переменного тока, применяются емкостные фильтры, Г-образные LC, RC и П-образные CLC и CRC фильтры.

Емкостный фильтр характерен для выпрями­телей, рассчитанных на малые токи нагрузки. На выходе выпрямителя параллельно нагрузке вклю­чается конденсатор для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель зависит от емкости конденсато­ра, сопротивление которого для переменной составляющей много меньше сопротивления на­грузки.

Если фильтр выпрямителя начинается с дрос­селя, обладающего большой индуктивностью, то нагрузка выпрямителя - индуктивная.

Выпрямитель характеризуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующими режим диодов, и параметрами трансформатора. Наиболее распространенный вентиль в мало­мощных радиолюбительских устройствах - полупроводниковый диод.

К выходным параметрам выпрямителя от­носятся: номинальное среднее выпрямленное на­пряжение U₀; номинальный средний выпрямлен­ный ток I₀; коэффициент пульсации выпрямлен­ного напряжения k_П01; частота пульсации вы­прямленного напряжения f_П; внутреннее сопро­тивление выпрямителя r₀.

Коэффициентом пульсации k_ПO1 называется отношение амплитуды первой гармоники вы­прямленного напряжения U₀₁ к среднему зна­чению выпрямленного напряжения U₀.

Диоды в выпрямителях характеризуются сред­ним значением прямого тока I_ПР.СР; действующим значением тока I_ПР; амплитудой тока I_ПР.MAX; амплитудой обратного напряжения U_ОБР.MAX; средней мощностью Р_ПР.СР.

Для трансформаторов, работающих в выпрямителях, определяются действующие значения напряжений U₁ и U₂ и токов I₁ и I₂ первичной и вторичной обмоток; мощности первичной и вторичной обмоток S_1; S₂; габаритная мощность трансформатора S_Г.

В выпрямителях для питания аппаратуры от однофазной сети переменного тока применяются однополупериодная схема выпрямления, двухполупериодная схема выпрямления с выводом сред­ней точки, мостовая схема, схема с удвоением напряжения и схема умножения напряжения.

Выпрямители по однополупериодной схеме (рисунок 5, а) применяются в основном с емкостным фильтром и обычно рассчитаны на выпрямленные токи до десятков миллиампер. Преимуществом таких выпрямителей являются простота и возможность работы без трансформа­тора. К их недостаткам относятся: низкая частота пульсаций; высокое обратное напряжение на вентиле; плохое использование трансформатора (в случае его наличия), подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Рисунок 5.

 

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки (рисунок 5,б) работает в основном с емкостным, Г- и П-образным RC и LC фильтрами. Основные преимущества этого выпрямителя - повышенная частота пульсации; малое число вентилей; возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей. Недостатками его являются большая габаритная мощность трансформатора по сравнению с выпрямителем по мостовой схеме и по схеме удвоения напряжения (см. ниже) и повышенное обратное напряжение на вентиле.

Однофазный выпрямитель по мостовой схеме (рисунок 5, в) из всех вариантов двухполупериодных выпрямителей обладает наилучшими технико-экономическими показателями. Применяется в основном с емкостным, Г- и П - образными RС и LC фильтрами. Достоинства такого выпрямителя - повышенная частота пульсации; относительно небольшое обратное напряжение; хорошее использование трансформатора; возможность работы от сети переменного тока без трансформатора. К недостаткам выпрямителя относятся повышенное падение напряжения в диодном комплекте, невозможность установки однотипных полупроводниковых вентилей на од­ном радиаторе без изолирующих прокладок.

Выпрямитель с удвоением напряжения (рисунок 6, а) применяется в выпрямителях, выполнен­ных на повышенные напряжения (1... 2 кВ) при небольших токах нагрузки. Этот выпрямитель, как и предыдущий, обладает повышенной часто­той пульсаций; пониженным обратным напряже­нием; хорошим использованием трансформато­ра; возможностью работы без трансформатора.

Рисунок 6

 

Несимметричные выпрямители с умножением напряжения (рисунок 6,б) находят применение в высоковольтных выпрямителях при малых токах нагрузки, в режиме, близком к холостому ходу. Коэффициент умножения напряжения зависит от числа каскадов, каждый из которых состоит из диода и конденсатора (на рисунке 6, б, четыре кас­када). Напряжение на всех конденсаторах, кроме С1, равно 2U_2m. На С1 напряжение равно U_2m. Частота пульсации равна частоте сети; обратное напряжение на диоде равно удвоенной амплиту­де напряжения вторичной обмотки трансформа­тора 2U_2m.