3. Принципы выпрямления переменного тока

Выпрямитель – устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Это устройство нелинейное, поскольку преобразуется спектр сигнала.

<= Условное изображение выпрямителя (AC/DC)

Задача выпрямителя – перенести энергию сигнала U₁ с частоты сети f_c на постоянную составляющую – сигнал U_0.

Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя – выделить только постоянную составляющую U₀ (полезный эффект выпрямления ) и отфильтровать все остальные гармоники (пульсации) напряжения U_d, то есть “сгладить” напряжение. Такой фильтр называется сглаживающим и представляет собой ФНЧ с полосой пропускания << .

Если выпрямитель использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным (однополупериодным), если обе полуволны – двухтактным (двухполупериодным).

Однотактное выпрямление ( преобразование) иллюстрируется схемой и эпюрами рис.3.2

Двухтактное выпрямление (преобразование) иллюстрируется схемой и эпюрами рис.3.3. Ключи К1 и К2 синхронно с частотой источника U₁ подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период.

Суть выпрямления переменного тока (принцип построения выпрямительных устройств) состоит в том, что через источник ток может протекать в одном или двух направлениях, а через нагрузку – только в одном направлении.

3. Вентиль и его характеристики

Вентиль – прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду. Для реальных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шоттки ) при одинаковых обратных напряжениях, обратные токи существенно различаются.

Вольтамперные характеристики идеального и реального

вентилей

Здесь, процесс преобразования переменного тока в постоянный по направлению, происходит с потерями энергии. Для расчётов, реальную ВАХ заменяют линейно-ломанной, пренебрегая потерями от обратных токов, как это показано на рис.3.5а.

Аппроксимация ВАХ реального вентиля (а) и его схема замещения (б).

Ударный ток. Для практического использования вентиля в выпрямителе, работающим на ёмкость, представляет интерес допустимая амплитуда серии из 2…4 импульсов тока, следующих с частотой питающей сети (рис.3.12 а). Эта амплитуда называется ударным током (I_пр.уд ), характеризует стойкость диода к перегрузкам и может в 20…50 превышать максимальный ток диода, указанный в справочнике при работе на активную нагрузку.

Быстродействие. Под граничной частотой (fгр) понимается максимальная частота гармонического сигнала, выше которой заметно возрастают потери мощности за счёт увеличения среднего значения обратного тока

Мощность, рассеиваемая в диоде складывается из трёх составляющих: мощности потерь в прямом направлении, в обратном и на переключение.

,

3. Схемы выпрямления

Простейший выпрямитель обычно содержит: трансформатор, вентиль и нагрузку

Это, однофазная однотактная схема выпрямления Выпрямленное напряжение (U_d) содержит постоянную составляющую (U₀) и бесконечный ряд гармонических составляющих, первая гармоника которых имеет частоту равную f_сети. За период сети ток i₂ не меняет своего направления, поэтому имеет место постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. В общем случае трансформатор имеет m₁ первичных обмоток (фаз сети) и р фаз во вторичной цепи – число фаз выпрямления, которое называют пульсностью. Обычно m₁p. Пульсность схемы определяется произведением

, где k – число вторичных обмоток трансформатора

q – число импульсов тока за период в одной обмотке.

Рассмотрим однофазный мост. Его схема приведена на рис.3.18. Эпюры напряжений соответствуют рис.3.17б. Учитывая, что здесь одна вторичная обмотка, находим пульсность , то есть схема однофазная двухтактная. Частота первой гармоники пульсаций вдвое выше частоты сети (как и в предыдущей схеме). Поэтому, в низковольтных выпрямителях предпочтительна схема со средней точкой.

Рассмотрим трёхфазный выпрямитель.

Трёхфазная однотактная схема выпрямления приведена на рис. 3.19. Эту схему называют также трёхфазной с нулевым выводом или трёхфазной со средней точкой.

Она состоит из трёхфазного трансформатора и трёх вентилей VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения вентилей и общей точкой вторичных обмоток трансформатора.