Общие сведения о выпрямителях

Выпрямителями называют устройства, в которых с по­мощью электрических вентилей происходит выпрямление переменного тока.

Электрическим вентилем называют прибор, электри­ческое сопротивление которого в большой мере зависит от направления тока.

На рис. 1. показана вольтамперная характеристика идеального вентиля (кривая 1), у которого при прохожде­нии тока в прямом направлении внутреннее сопротивление равно нулю, а при прохождении тока в обратном направле­нии — бесконечности. Кривая 2 является вольтамперной характеристикой ионного прибора (газотрона или ртут­ного вентиля), у которого сопротивление в прямом направ­лении мало, а в обратном направлении приближается к бес­конечности. Вольтамперная характеристика полупроводни­кового вентиля (кривая 3) показывает, что сопротивление вентиля в прямом направлении во много раз меньше сопро­тивления в обратном направлении. Из вольтамперной ха­рактеристики электронного вентиля (кривая 4) видно, что его внутреннее сопротивление в прямом направлении боль­ше, чем у полупроводниковых и ионных вентилей, а в об­ратном направлении равно бесконечности.

Сопротивление вентиля в прямом направлении

(1)

Электрические вентили, предназначенные для работы в выпрямителях, должны обладать по возможности малым сопротивлением R_пр, минимальным обратным током I_обр и достаточно большим обратным напряжением U_обр. Кроме того, вентиль должен потреблять минимальное количество энергии.

 

 

 

Рис. 1. Вольтамперные характеристики идеаль­ного (кривая 1), ионного (кривая 2), полупровод­никового (кривая 3) и электронного (кривая 4) вентилей

 

 

Основными элементами, входящими в схему выпрями­теля, являются: один или несколько венти­лей, пропускающих ток в одном направлении, сило вой трансформатор, согласующий величину вы­прямленного напряжения U _oс напряжением, действующим в сети переменного тока U₁ и сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации выпрямленного тока. Кроме того, в схему выпрямителя могут входить вспомога­тельные трансформаторы для питания цепей накала ламп, стабилизаторы напряжения и другие вспомогательные эле­менты.

Обязательным для каждого выпрямителя является на­личие вентилей; некоторые выпрямители работают без сглаживающих фильтров, некоторые — без силового транс­форматора, если выпрямленное напряжение согласуется с напряжением сети переменного тока.

По количеству фаз различают однофазные и многофаз­ные выпрямители: по прохождению тока через вторичную обмотку трансформатора — однотактные выпрямители, у которых ток через вторичную обмотку трансформатора проходит только в одном направлении, и двухтактные вы­прямители, у которых ток во вторичной обмотке трансфор­матора проходит в обоих направлениях.

 

 

2. Однотактные выпрямители

Однофазный однотактный однополупериодный выпрямитель. Простейший однофазный однотактный выпрямитель (рис. 2, а) состоит из силового трансформатора Тр и вен­тиля В. Рассмотрим в этом параграфе работу выпрямитель­ных схем без сглаживающих фильтров. Процесс выпрям­ления переменного тока показан графически на рис. 2, б в предположении, что вентиль является идеальным.

 

 

Рис. 2. Однофазный однотактный однополупериодный выпрямитель и графическое пояснение его работы

 

 

Замена реального вентиля идеальным не вызывает больших погреш­ностей при технических расчетах выпрямителей, но сильно упрощает изучение процессов, происходящих в выпрями­теле. Максимальное значение тока, проходящего через вентиль,

(2)

Полусинусоидальный ток, показанный на рис. 2. б, можно разложить в гармонический ряд

Первое слагаемое этого ряда

(4)

не зависит от частоты и называется постоянной составляю­щей выпрямленного тока.

 

 

Второе слагаемое

(5)

называется переменной составляющей выпрямленного тока и имеет частоту питающей сети . Следующие члены ряда называются высшими гармониками выпрямленного тока. Амплитуды высших гармоник значительно меньше ампли­туды I _max поэтому при расчете однополупериодного вы­прямителя ими обычно пренебрегают.

Коэффициентом пульсаций выпрямленного тока назы­вают отношение амплитуды наиболее ярко выраженной гармоники выпрямленного тока или напряжения к постоян­ной составляющей выпрямленного тока или напряжения Для однополупериодного выпрямителя

(6)

Постоянная составляющая выпрямленного напря­жения

U₀ = I₀R_H. (7)

Для однополупериодного выпрямителя, пользуясь соот­ношениями (2) и (7), найдем:

(8)

т. е. постоянная составляющая выпрямленного напряже­ния составляет 0,45 от действующего значения напряже­ния вторичной обмотки трансформатора.

Соотношение (8) дает возможность найти вторичное напряжение трансформатора по заданному значению U₀.

Пример 1. Однополупериодный выпрямитель должен иметь по­стоянную составляющую выпрямленного напряжения U_o = 2500В. Пренебрегая внутренним сопротивлением вентиля, определить необходимое напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Решение. Для определения U ₂ воспользуемся формулой (8)

Обратным напряжением выпрямителя называют мак­симальное значение отрицательного напряжения, появляю­щегося на аноде вентиля во время отрицательных полупе­риодов вторичного напряжения силового трансформатора. Для однополупериодного выпрямителя с фильтром обрат­ное напряжение максимально в режиме холостого хода, т. е. при токе нагрузки, равном нулю,

U_обр =6,28U₀ (9)

Двухполупериодный однотактный выпрямитель. Двухполупериодный выпрямитель (рис. 3, а) представляет со­бой два однополупериодных выпрямителя, работающих на

 

 

Рис. 3. Двухполупериодный однотактный выпрямитель и графи­ческое пояснение его работы

 

общую нагрузку. Напряжения, питающие вентили B ₁ и В ₂, должны быть одинаковы по величине и сдвинуты между собой по фазе на 180°. Для этого вторичную обмотку транс­форматора выполняют с выведенной средней точкой, а вто­ричные напряжения получают между средней точкой обмотки и ее концами. Графически процесс выпрям­ления показан на рис. 3, б. Во время первых полуперио­дов ток i _a1 проходит через вентиль В₁, а во время вторых полупериодов ток i _а2 проходит через вентиль В₂. Через сопротивление нагрузки R _нтоки i_a1 и i_a2 проходят в одном направлении. При двухполупериодном выпрямлении по­стоянная составляющая выпрямленного тока в два раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе

(10)

Следовательно, выпрямленное напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя

U_o = 0,9U₂. (11)

Величина обратного напряжения в двухполупериод­ном выпрямителе

U_обр = 3,14U₀. (12)

Коэффициент пульсаций q ₁= 0,667.

При вычислении коэффициента пульсаций двухполупе­риодный выпрямитель рассматривают как двухфазный вы­прямитель, напряжения обеих фаз которого сдвинуты между собой на 180°. Коэффициент пульсаций связан с числом фаз т выпрямителя простым соотношением:

(13)

Этой формулой нельзя пользоваться для вычисления коэф­фициента пульсаций однополупериодного выпрямителя, так как при т = 1 знаменатель дроби в формуле (13) обра­щается в нуль. Частота пульсаций в многофазном выпря­мителе в т раз больше частоты сети. Двухполупериодные выпрямители применяются для питания приемно-усилительных ламп в электронных усилителях и генераторах малой мощности, а также для питания ламп в радиоприем­никах и телевизорах.

Трехфазный однотактный выпрямитель. Принципиаль­ная схема выпрямителя трехфазного переменного тока пока­зана на рис. 4, а. Как видно из рис. 4, б, пульсация тока в этом выпрямителе значительно меньше, чем в однофазном двухполупериодном, поэтому такой выпрямитель может ра­ботать даже без фильтра. В этой схеме могут применяться как полупроводниковые, так и электронные и ионные вен­тили.

Ток через любой вентиль и связанную с ним фазу вто­ричной обмотки трансформатора проходит в течение одной трети периода, т. е. тогда, когда напряжение соответствующей фазы выше, чем напряжение в двух других фазах. Ток через два других вентиля в эту треть периода проходить не может, так как потенциалы анодов этих вентилей будут

 

 

Рис. 4. Трехфазный однотактный выпрямитель и графиче­ское пояснение его работы

 

ниже потенциалов их катодов. Переход тока от одного вен­тиля к другому происходит в точках пересечения положи­тельных полупериодов напряжения (рис. 4, б). Выпрямленное напряжение

(14)

т. е.

U₀=1,17U₂.

Среднее значение тока, протекающего через вентиль,

(15)

Обратное напряжение

U_o6p = 2,09U_2. (16)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

(17)

Коэффициент пульсаций

(18)

Трехфазные однотактные выпрямители применяются для питания анодов мощных радиоламп и питания маломощных двигателей постоянного тока.