7. ВЫПРЯМИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Выпрямителем называется устройство для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

Выпрямители используются для питания различных электронных устройств: усилителей низкой частоты, магнитофонов, телевизоров, радиоприемных устройств, устройств промышленной электроники и т.д.

Существует несколько схем выпрямителей.

Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис 7.1).

В данной схеме используется полупроводниковый диод VD, обладающий нелинейной вольтамперной характеристикой (чаще всего кремниевый). Под действием синусоидального напряжения генератора в цепи нелинейного элемента возникает ток, приобретающий форму последовательности импульсов, т.к. ток в цепи диода существует только в течение положительных полуволн входного напряжения (из-за односторонней проводимости диода).

Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя показана на рис.7.2.

Полученную последовательность импульсов тока, как и любой периодический несинусоидальный сигнал можно представить в виде постоянно составляющей I₀ и периодических (гармонических) составляющих с частотами, кратными частоте приложенного напряжения U.

C помощью разложения периодической функции в ряд Фурье, получаем:

(7.1)

где I₀ - постоянная составляющая тока, I_1m-амплитуда 1-й гармоники тока, I_2m,,I_nm-амплитуды токов высших гармоник.

Разложение несинусоидального сигнала показано на рис.7.3, где

Рис. 7.3 Разложение несинусоидального сигнала.

0-постоянная составляющая; 1-1-я гармоника тока; 2,3-высшие гармоники тока.

Амплитуды высших гармоник, как правило, уменьшаются с ростом их номера. Для представления периодической последовательности импульсов можно наряду с временной диаграммой использовать и спектральную, которая позволяет наглядно сравнивать значения постоянной составляющей и амплитуд с частотой первой и высших гармоник.

На рис.7.4a,б показаны спектры входного напряжения и тока, протекающего через диод. Среднее за период значение выпрямленного тока, т.е. постоянная составляющая I₀ определяется соотношением:

(7.2)

где R_i-внутреннее сопротивление генератора; R_н - сопротивление нагрузки; I_m-амплитуда импульса тока.

Поэтому постоянное напряжение U₀ на нагрузке R_н определяется выражением:

     (7.3)

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций К_п; где U_1m- амплитуда первой гармоники напряжений; U ₀ -постоянная составляющая напряжений. Т.к. для однополупериодной схемы амплитуда 1-й гармоники имеет значительную величину . Выпрямленное напряжение с такими значительными пульсациями, как правило, не пригодно для практических целей. Для уменьшения коэффициента пульсации используется двухполупериодные схемы выпрямителей.

2.Однофазный двухполупериодный выпрямитель. Подобный выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого состоит из 2-х частей и 2-х полупроводниковых диодов (рис.7.5).

Наличие средней точки трансформатора приводит к тому, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки w₁ и w₂ будет приложено к каждому из диодов VD₁ и VD₂. В течение положительного, для половины обмотки w₁, полупериода диод VD₁ открывается и возникает ток в цепи этого диода,  протекающий через нагрузку. В течение отрицательного полупериода диод VD₁ закрыт, и открывается диод VD₂. В этом случае также возникает импульс тока через нагрузку.  Таким образом, в цепи нагрузки ток протекает в течение обоих половин полупериода. Вследствие этого частота пульсаций тока в цепи нагрузки становится вдвое больше, чем частота синусоидального напряжения, приложенного к выпрямителю.

Полученную последовательность  импульсов  можно  представить  в  виде  суммы постоянной составляющей I₀ и суммы переменных составляющих с частотами,  кратными удвоенному значению частоты выпрямленного напряжения:

Постоянная составляющая тока нагрузки I₀ вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении

а постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ равна

Kоэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно меньше, чем в однополупериодной (Кп=0,67).

Недостатком подобной схемы выпрямителя является увеличенное число витков вторичной обмотки.

3. Мостовая схема выпрямителя (рис.7.7). В течение положительной полуволны входного напряжения открываются диоды VD₁ и VD₃, и в цепи нагрузки возникает импульс тока.  Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD₂ и VD₄, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики,  аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме. В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему.

Сглаживающие фильтры.

Для сглаживания (уменьшения) пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. В качестве подобных фильтров используются фильтры нижних частот, имеющие следующую частотную характеристику (рис.7.8); где К-коэффициент передачи фильтра; fc-частота среза. Подобная характеристика фильтра позволяет выделить постоянную составляющую из сложного спектра тока, протекающего через нелинейный элемент (диод). Существует несколько типов фильтров низших частот.

1. Емкостный фильтр (конденсатор) включается параллельно нагрузке. Для удовлетворительной работы фильтра необходимо, чтобы емкостное сопротивление фильтра Хс для основной (первой) гармоники было меньше сопротивления нагрузки (рис.7.9).

                                                             (7.4)

2. Индуктивный фильтр включается последовательно с сопротивлением нагрузки (рис.7.10). Для удовлетворительного сглаживания необходимо выполнить условие:

                                                          (7.5)

Эффективность использования такого фильтра (только индуктивности) очень низка, особенно в однополупериодной схеме, т.к. постоянная составляющая там очень мала. Поэтому индуктивность используется, как правило, в составе более сложных Г-образных (рис.7.11а) и П-образных (рис.7.11б) фильтров. Подобные фильтры обеспечивают высокий коэффициент сглаживания , где К_nвх - коэффициент пульсаций на входе фильтра. K_nвых -коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

Различие спектров тока однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей (вдвое большая частота первой гармоники) и величина постоянной составляющей позволяют при использовании для них одинаковых фильтров получать значительно меньший коэффициент пульсации при двухполупериодном выпрямлении.