3.3 Мостовая схема выпрямителя

Другим вариантом двухполупериодного выпрямителя является мостовая схема (рисунок 18).

К одной диагонали моста прикладывается переменная ЭДС вторичной обмотки трансформатора , во вторую диагональ моста включена нагрузка .

При положительной полуволне ЭДС вторичной обмотки трансформатора (интервал от ) ток будет протекать по цепи: точка с положительным потенциалом – открытый вентиль VD2 – резистор – открытый вентиль VD3 – точка в с отрицательным потенциалом. Вентиле VD1 и VD4 при этом заперты.

Рисунок 19

Через полпериода (интервал от ) потенциал точки а станет отрицательным. Вентили VD2 и VD3 закроются и ток будет проходить от точки в через вентиль VD4, нагрузку и вентиль VD1 к точке а.

Таким образом, ток через нагрузку в оба полупериода протекает в одном направлении. При этом положительным + полюсом мостового выпрямителя является узел связи катодов VD2, VD4, а отрицательным – узел связи анодов вентилей VD1 и VD3 (рисунок 19).

Среднее значение выпрямленных напряжений и тока, а также среднее значение тока вентиля в мостовой схеме такие же, как и в схеме с выводом нулевой точки. Обратное напряжение неработающего вентиля определяется фазным напряжением одной вторичной обмотки, поэтому максимальное значение обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше в сравнении с предыдущей схемой:

Во вторичной обмотке ток протекает дважды за период и при активной нагрузке имеет синусоидальную форму. Расчетная (типовая) мощность трансформатора определяется по формуле:

Преимущества мостовой схемы перед схемой с выводом нулевой точки: максимальное обратное напряжение, прикладываемое к неработающим вентилям, в два раза меньше; меньшая расчетная мощность обеспечивает лучшее использование трансформатора; при расчетном напряжении значении ЭДС совпадающим с напряжением сети, мостовую схему можно питать непосредственно от сети без трансформатора, конструкция проще, а габариты, масса и стоимость трансформатора меньше.

Недостатком мостовой схемы следует считать наличие 4–х вентилей.

3.4 Сглаживающие фильтры

Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы электронного устройства: их выбирают в пределах от 0,001 – 2,5%.

К сглаживающим фильтрам предъявляются следующие основные требования: необходимо максимально уменьшить переменные составляющие напряжения при этом не допустить существенного уменьшения постоянной составляющей; при включении и выключении напряжения сети в фильтре проходят переходные процессы сопряженные с бросками напряжения и тока – последние должны находится в допустимых пределах; собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра.

Обычно сглаживающие фильтры состоят из индуктивных катушек и конденсаторов и лишь в маломощных выпрямителях используются также резисторы.

Основным параметром, позволяющим дать количественную оценку сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания:

где и – коэффициенты пульсаций напряжений на входе и выходе фильтра.

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки, включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

При использовании катушек, повышение коэффициента сглаживания можно достигнуть при условии, что индуктивное сопротивление цепи значительно превышает ее активное сопротивление:

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения ( )

При этом основная часть падения напряжения переменных составляющих приходится не на сопротивление нагрузки, а на индуктивность фильтра.

Так как активное сопротивление индуктивного элемента фильтра (дросселя) обычно невелико, падение напряжения постоянной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практически равным.

Индуктивный фильтр имеет простую схему и обеспечивает малые потери мощности и малое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку индуктивные фильтры обеспечивают лучшее сглаживание пульсаций при небольших сопротивлениях нагрузки, их применяют главным образом в мощных выпрямителях .

При включении конденсатора параллельно нагрузке , для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления:

В этом случае конденсатор заряжается через вентиль до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе.

Рисунок 20

В остальное время конденсатор разряжается на нагрузку. Величину емкости выбирают таким образом, чтобы за период колебаний напряжение на входе фильтра и напряжение на конденсаторе не изменилось.

Широкое применение на практике находят Г – образные индуктивно–емкостные фильтры (рисунок 20).

При выполнении условия такие комбинированные фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные или емкостные фильтры.

Рассмотрим Г – образную схему сглаживающего фильтра. Если пренебречь падением напряжения постоянной составляющей на малом активном сопротивлении дросселя можно считать, что:

тогда

Амплитудное значение тока основной гармоники:

где – полное сопротивление нагрузки и фильтра, – полное сопротивление нагрузки и конденсатора фильтра.

При выполнении условия ,

Следовательно,

Учитывая, что

получаем коэффициент сглаживания:

Зная частоту основной гармоники выпрямленного напряжения, по заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение L и C (точнее их произведение). Выбор конкретных величин индуктивности и емкости представляет в данном случае не математическую, а техническую задачу. Обычно ее решают с учетом дополнительных условий, к которым относятся габаритные размеры, масса и емкость фильтра, а также допустимый бросок тока при включении.

Более эффективным является П – образные фильтры, представляющие собой сочетание простейшего емкостного фильтра и Г – образного звена (рисунок 21, а).

Лучшие результаты получаются с помощью многозвенных фильтров (рисунок 21, б), состоящих из нескольких последовательно соединенных Г – образных звеньев. Входным элементом таких фильтров является индуктивная катушка. Если первое звено выполнить П – образным, то входным элементом будет емкость.

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания пульсаций многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживающих звеньев:

Если коэффициенты сглаживания выбрать одинаковыми, то

где n – число звеньев.

Среди перечисленных требований, предъявляемых к сглаживающим фильтрам, отмечалось необходимость ограничения собственной резонансной частоты фильтра условием:

откуда

Из сопоставления двух выражений получим, что .

В отдельных случаях применяют резистивно–емкостные фильтры, которые имеют меньшие габариты, массу и стоимость. Дроссель в этих фильтрах заменен резистором. В отличии от индуктивно–емкостных фильтров здесь происходит существенное уменьшение не только переменных, но и постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Простейший Г – образный фильтр имеет коэффициент сглаживания пульсаций:

Поскольку для получения хорошей фильтрации гармоник здесь также должно соблюдаться условие:

то можно записать

тогда

В связи с тем, что в таких фильтрах происходит уменьшение выпрямленного напряжения – область применения фильтров ограничивается маломощными потребителями.