Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.
В полупроводниковой аппаратуре выпрямители выполняются на полупроводниковых диодах.
В переменном электрическом напряжении можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения, относится к положительным полупериодам, а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным, см рис.10
Рисунок 10
Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн, делая направление тока односторонним.
Схемы построения однофазных выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однополупериодные и двухполупериодные.
Будем считать, что выпрямляемое переменное напряжение поступает с вторичной обмотки трансформатора.
На рисунке 11 изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного напряжения однофазным однополупериодным выпрямителем.
|
|
Рисунок 11
Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна, рис.12
Рисунок 12
Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax
где: π - константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они непригодны в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.
Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.
Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя, рис.13
Рисунок 13
Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А».
Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».
Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.
|
|
Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя, рис.14
Рисунок 14
По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.
Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax
где: π - константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, рис.15, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго - положительный):
Рисунок 15
Емкостной сглаживающий фильтр. |
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Сглаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглаживания. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные и индуктивные фильтры. Емкостной фильтр целесообразно применять при небольших мощностях нагрузки, он представляет собой конденсатор большой емкости, который включается параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор обладает большим сопротивление постоянному току и малым сопротивлением переменному току. Рассмотрим работу фильтра на примере схемы однополупериодного выпрямителя (рис. 16, а). Рисунок 16 Во время положительной полуволны напряжения, в промежутке t0 – t1 (рис. 16, б), через диод протекают ток нагрузки и ток заряда конденсатора. Конденсатор заряжается и в момент времени t1 напряжение на конденсаторе превышает спадающее напряжение вторичной обмотки – диод закрывается, и во временной промежуток t1 – t2 ток в нагрузке обеспечивается разрядом конденсатора. Разряд происходит по экспоненциальному закону. |
Максимальное напряжение на закрытом диоде будет определяться по второму закону Кирхгофа:
Uобр max = Uc + U2 max
причем конденсатор заряжается до значения U2 max, значит:
для однополупериодного выпрямителя:
Uобр max = 2∙ U2 max = 2√2 U2 ,
где U2 – действующее значении напряжения.
C изменением емкости конденсатора Сф будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе Iн. Разряд конденсатора Сф определяется постоянной времени разряда
τ разр = Сф∙ Rн
При постоянной времени τ разр >>5∙Т, разряд конденсатора через сопротивление Rн идет практически по линейному закону. Поэтому приближенно можно заменить экспоненту ее касательной (рис. 17)
Рисунок 17
Коэффициент пульсаций рассчитывается тогда по формулам:
для однополупериодной схемы:
,
а для двухполупериодной схемы:
где: fc – частота сетевого напряжения.
Для выбора конденсатора необходимо рассчитать его емкость и рабочее напряжение. Емкость фильтра, в случае малых пульсаций, определяется по формуле:
для однополупериодного выпрямителя
для двухполупериодного выпрямителя
Рабочее напряжение конденсатора рассчитывается с 30% запасом и равно:
Uраб ≥ 1,3∙ Uобр max = 2,6 U2max