Главная | Обратная связь

Короткі теоретичні відомості

Випрямляч – це пристрій, який перетворює змінний струм в постійний. Випрямляч у більшості випадків складається з таких елементів (рис. 5.1):

– силового трансформатора, призначеного для підвищення або пониження напруги мережі до необхідної величини;

– одного або декількох вентилів, які мають односторонню провідність струму та виконують основну функцію випрямляча – перетворення змінного струму в постійний;

– згладжувальний фільтр, який зменшує пульсацію випрямленого струму.

Рис. 5.1. Структурна схема випрямляча

У схему випрямляча, крім цих основних елементів, можуть входити різні допоміжні пристрої, призначені для регулювання випрямленої напруги, вмикання та вимикання випрямляча, захисту випрямляча від пошкоджень при порушеннях нормального режиму роботи, контрольно-вимірювальні прилади тощо.

На сьогодні використовують різні типи випрямлячів, які класифікуються за кількістю фаз випрямленого змінного струму, типу вентилів, схемі їх увімкнення та іншим показникам. Найбільш часто використовують випрямлячі, які розраховані на невеликі потужності та працюють від однофазної мережі змінного струму. Такі випрямлячі називаються однофазними. Вони поділяються на: а) однонапівперіодні, в яких струм через вентиль проходить тільки протягом одного напівперіоду змінної напруги мережі; б) двонапівперіодні, в яких струм проходить через вентиль протягом обох напівперіодів; в) схеми з множенням напруги.

Для випрямлення трифазного струму застосовують трифазні випрямлячі, які розраховані здебільшого на отримання відносно великих потужностей (десятки кіловат і більше). Ці випрямлячі вмикаються до мережі за допомогою трифазних трансформаторів, вторинні обмотки яких мають три або шість фаз.

У сучасних випрямлячах в якості вентилів найчастіше використовуються напівпровідникові діоди.

Схема напівпровідникового випрямляча з активним навантаженням наведена на рис. 5.2. У цій схемі струм через вентиль і опір навантаження протікає тільки протягом половини періоду змінної напруги , яка діє на затискачах трансформатора Т. Як видно з рис. 5.2, б, такий струм має пульсуючий характер, тобто протікає в одному напрямку та змінюється за величиною від максимального значення до нуля.

а б Рис. 5.2. Однонапівперіодний випрямляч: а – схема випрямлення; б – графіки струмів і напруг

Постійна складова випрямленого струму – це середнє значення струму, який протікає за період через опір навантаження :

.

З рис. 5.2 видно, що напруга на навантаженні досягає максимуму один раз за період. Відповідно, частота пульсацій напруги на навантаженні в однонапівперіодній схемі дорівнює частоті мережі.

Величина пульсацій випрямленої напруги характеризується коефіцієнтом пульсацій: ,

де – амплітуда першої гармоніки.

Для однонапівперіодної схеми амплітуда першої гармоніки випрямленої напруги складає:

,

а коефіцієнт пульсацій .

Велика величина коефіцієнта пульсації є основним недоліком однонапівперіодної схеми випрямлення. Крім цього, постійна складова випрямленого струму в даній схемі значно менша діючого значення струму в вторинній обмотці трансформатора: . Ця обставина призводить до недостатнього використання обмоток трансформатора за струмом.

Двонапівперіодні схеми випрямлення поділяються на два види: схеми з виведенням середньої точки вторинної обмотки силового трансформатора та мостові схеми.

У схемі з виведенням середньої точки (рис. 5.3) вторинна обмотка силового трансформатора має три виводи: два – від кінців обмотки А і В та третій – від її середини О. По суті дана схема являє собою поєднання двох однонапівперіодних випрямлячів, які працюють на загальне навантаження . В один з напівперіодів, коли кінець обмотки А додатній відносно середнього виводу О, струм проходить від виводу А через діод VD1, опір навантаження і замикається через вторинну обмотку ОА в напрямку від О до А.

а б Рис. 5.3. Двонапівперіодний випрямляч із середньою точкою: а – схема; б – графіки струмів і напруг

В наступний напівперіод, коли вивід В додатній відносно точки О, струм проходить від виводу В через діод VD2, опір навантаження і замикається через вторинну обмотку ОВ в напрямку від О до В. Через опір навантаження струми та проходять в обидва напівперіоди в одному і тому самому напрямку, створюючи на ньому випрямлену напругу . На рис. 5.3, б наведено криві випрямленої напруги та струму для двонапівперіодної схеми з середньою точкою. За однакових амплітудних значень імпульсів постійні складові струму та напруги в два рази більші ніж для схеми однонапівперіодного випрямлення:

;

.

Величина діючого струму, який проходить через вторинну обмотку трансформатора двонапівперіодної схеми в два рази менше, ніж в однонапівперіодній схемі. Таким чином, в двонапівперіодній схемі значно краще, ніж в однонапівперіодній, використовуються обмотки трансформатора за струмом, що дозволяє зменшити розміри та масу силового трансформатора.

З рис. 5.3, б видно, що напруга на навантаженні досягає максимуму два рази за період. Відповідно, частота пульсацій напруги на навантаженні в двонапівперіодній схемі дорівнює подвоєній частоті мережі. Коефіцієнт пульсацій напруги у разі роботи на активне навантаження .

Таким чином, двонапівперіодна схема дає більш згладжену випрямлену напругу, ніж однонапівперіодна. Недоліком є необхідність здійснення виводу від середини вторинної обмотки, так як у цьому разі ускладнюється трансформатор.

Рис. 5.4. Мостова двонапівперіодна схема випрямлення

Двонапівперіодна мостова схема випрямляча наведена на рис. 5.4. До схеми входять силовий трансформатор (без виводу середньої точки) та чотири діоди VD1 – VD4, ввімкненні за мостовою схемою. До однієї діагоналі моста приєднана вторинна обмотка трансформатора, до другої підключено опір навантаження.

В один з напівперіодів, коли потенціал точки А (рис. 5.4) додатній, а потенціал точки В від’ємний, струм проходить від точки А через діод VD1, опір навантаження та діод VD3 до точки В. У наступний напівперіод, коли полярність кінців А і В вторинної обмотки трансформатора зміниться, струм пройде від точки В через діод VD2, опір навантаження та діод VD4 до точки А. Напрям струму, що протікає через опір навантаження протягом обох напівперіодів залишається незмінним, тобто має місце двонапівперіодне випрямлення.

На рис. 5.5 наведені діаграми напруг і струмів у однофазній мостовій схемі випрямляча. Під впливом змінної синусоїдної напруги (рис. 5.5, а) на затискачах вторинної обмотки трансформатора в роботу почергово вмикаються діоди VD1, VD3 і VD2, VD4. Форма струмів, які протікають через ці діоди, показана на рис. 5.5, б і г.

Рис. 5.5. Графіки напруг і струмів у мостовій схемі випрямляча

В результаті двонапівперіодного випрямлення виникає пульсуючий струм і напруга на опорі навантаження, а також їх постійні складові і показані на рис. 5.5, г. На відміну від попередніх схем струм у вторинній обмотці трансформатора протікає протягом обох напівперіодів і є синусоїдним (рис. 5.5, д). Мостова схема отримала широке розповсюдження в сучасних випрямлячах. Вона володіє всіма перевагами схеми із середньою точкою та має такі специфічні особливості:

– розміри та маса трансформатора менша внаслідок кращого використання обмоток за струмом. Ця особливість мостової схеми заснована на тому, що струм протікає протягом періоду через всю вторинну обмотку трансформатора, а не в одній його половині;

– конструкція трансформатора простіша, так як не потрібний спеціальний вивід від середньої точки вторинної обмотки;

– зворотна напруга на діоді вдвічі менша.

Недоліком мостової схеми є потреба використання в схемі чотирьох діодів замість двох у схемі із середньою точкою.

У більшості випадків для живлення електронної апаратури допускається мала (порядку десятих, сотих і навіть тисячних відсотка) пульсація випрямленої напруги. Разом з тим на виході випрямляча пульсації набагато більші. Для зменшення пульсацій використовують згладжувальні фільтри.

Будь-який згладжувальний фільтр повинен забезпечувати зниження пульсації випрямленої напруги до заданого рівня, тобто володіти необхідним коефіцієнтом згладжування , величина якого визначається відношенням , де і – коефіцієнти пульсації до і після згладжувального фільтра відповідно.

Основною вимогою, яка висувається до згладжувального фільтра, є максимально можливе зменшення змінних складових випрямленого струму та напруги в опорі навантаження. Для зменшення пульсацій напруги, достатньо паралельно опору увімкнути конденсатор (рис. 5.6, а). У проміжки часу, коли діод пропускає струм, конденсатор запасає електричну енергію. Коли до діода прикладена зворотна напруга, конденсатор розряджається на опір навантаження . Таким чином, через навантажувальний опір струм проходить безперервно, а пульсації випрямлених напруги та струму значно зменшуються.

Рис. 5.6. Схеми згладжувальних фільтрів: а – простий ємнісний фільтр; б і в – -фільтри; г і д – -фільтри

Величину вхідної ємності згладжувального фільтра, який забезпечує пульсацію випрямленого струму не більше на 10% при частоті мережі 50 Гц, визначають за формулами:

– для однонапівперіодної схеми ;

– для двонапівперіодної схеми ,

де – вхідна ємність фільтра, мкФ; – випрямлений струм, мА; – випрямлена напруга, В.

Найбільш поширені схеми згладжувальних фільтрів показані на рис. 5.6. Вибір схеми визначається величиною випрямленого струму, який проходить через фільтр, і допустимим значенням коефіцієнта пульсації випрямленої напруги на виході фільтра.

В якості послідовних елементів фільтрів використовуються індуктивності (дроселі) та активні опори (резистори). Паралельними елементами фільтра зазвичай слугують конденсатори. Дія дроселя, як елемента фільтра зводиться до того, що в ньому втрачається найбільша частина змінної складової напруги, так як його реактивний опір намагаються вибрати значно більшим опору навантаження . Для постійної складової випрямленого струму індуктивний опір дроселя дорівнює нулю.

Дія конденсатора, як елемента фільтра зводиться до того, що він шунтує опір навантаження, пропускаючи через себе найбільшу частину змінної складової випрямленого струму. Опір намагаються вибрати значно меншим опору навантаження . Для постійного струму опір нескінченно великий, тому постійна складова випрямленого струму проходить в основному через опір навантаження.

Добуток (в Гн∙мкФ) залежно від необхідного коефіцієнта згладжування визначається за формулою

,

де – частота мережі, Гц; – число фаз випрямлення (для однонапівперіодної схеми , для двонапівперіодних схем ).

Величини і повинні бути обраними так, щоб виконувалася умова .

В якості конденсаторів фільтра використовують електролітичні конденсатори ємністю 10…40 мкФ. Для збільшення коефіцієнта згладжування використовують дволанкові фільтри (рис. 5.6, в). Коефіцієнт згладжування такого фільтра дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування кожної ланки . Особливістю фільтрів типу є незначне падіння постійної складової випрямленої напруги на дроселі, що дає змогу використовувати такі фільтри в пристроях з відносно великим струмом навантаження. Суттєвим недоліком є велика маса дроселя, а також утворення навколо дроселя магнітного поля, яке впливає на роботу різних високочутливих вузлів електронної апаратури.

Ці недоліки усунуті у -фільтрах (рис. 5.6, г і д). Такі фільтри значно дешевші -фільтрів, мають малі розміри та масу. Їх доцільно застосовувати у разі малих випрямлених струмів (10…15 мА) і не великих значеннях коефіцієнта згладжування. Це пояснюється тим, що на активному опорі відбуваються втрати як змінної, так і постійної складових випрямленої напруги, що у випадку великих струмів навантаження може призвести до різкого зменшення напруги на виході фільтра.

Добуток (в Ом∙мкФ) визначають за формулою:

.

Величину опору обирають із умови допустимого падіння випрямленої напруги на фільтрі. Крім - та -фільтрів, широке розповсюдження отримали транзисторні згладжувальні фільтри. Вони мають малі габарити і масу, не створюють небажаних магнітних полів, які виникають навколо дроселя -фільтрів, мають менші втрати випрямленої напруги у порівнянні з -фільтрами.