Выпрямители источников вторичного электропитания

Переменное напряжение преобразуется в постоянное при помощи выпрямительных устройств. В общем случае выпрямительное устройство состоит из трансформатора, преобразующего величину переменного напряжения питающей сети, полупроводниковой схемы, осуществляющей выпрямление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения.

Выпрямители бывают неуправляемые и управляемые. Неуправляемые выпрямители выполняют на основе диодов, управляемые – на основе тиристоров. В настоящем учебном пособии рассмотрение ограничено неуправляемыми выпрямителями, так как именно они применяются в ИВЭП в подавляющем большинстве случаев.

Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер нагрузки, включенной на выходе выпрямителя. В зависимости от типа сглаживающего фильтра нагрузка может иметь емкостной или индуктивный характер. Лишь в редких случаях, когда пульсация напряжения на нагрузке не имеет существенного значения, или когда применен многофазный выпрямитель, имеющий малую пульсацию, фильтр может отсутствовать; при этом нагрузка выпрямителя может быть активной.

Рассмотрим сущность процесса выпрямления на примере простейшей однофазной однополупериодной схемы (рис. 7.4, а) с активной нагрузкой R_d (элементы и параметры схемы на стороне выпрямленного тока принято обозначать индексом d от английского direct – прямой). Считаем трансформатор и диод идеальными. На вторичной обмотке трансформатора имеется синусоидальное напряжение

Упрощенные временные диаграммы основных процессов в выпрямителе показаны на рис. 7.4, б. В том полупериоде, в котором к аноду диода прикладывается положительное напряжение, диод открыт, и напряжение u ₂ прикладывается к нагрузке. В другом полупериоде диод закрыт, и напряжение на нагрузке равно нулю. В результате на нагрузке R_d образуется пульсирующее однополярное напряжение u_d. Частота пульсаций равна частоте сети (50 Гц).

Выходным параметром выпрямителя является постоянная составляющая выпрямленного напряжения (его среднее значение) U_d. В рассматриваемой схеме

(7.1)

где U ₂ – действующее значение напряжения вторичной обмотки.

Так как нагрузка активна, то ток вторичной обмотки i ₂ по форме совпадает с напряжением, т.е. является пульсирующим и однонаправленным. Но согласно законам электромагнитной индукции постоянный ток трансформироваться не может. Поэтому ток первичной обмотки i ₁ не содержит постоянной составляющей. (На рис. 7.4, б ток i ₁ изображен в предположении, что намагничивающий ток незначителен). Таким образом, постоянная составляющая вторичного тока не компенсируется соответствующей составляющей первичного тока, что вызывает подмагничивание трансформатора. Следствием этого является увеличение тока холостого хода трансформатора и завышение его расчетной мощности.

Для выбора диода необходимо знать его средний прямой ток I _пр.ср и максимальное обратное напряжение U _{обр. max}. В схеме рис. 7.4 I _пр.ср = I_d = U_d / R_d; U _{обр. max} = U _{2 m}.

Простейший фильтр представляет собой конденсатор С _ф, включенный параллельно нагрузке (рис. 7.5, а). На временной диаграмме (рис. 7.5, б) напряжение на нагрузке (утолщенная линия) показано совмещенно с напряжением в отсутствие фильтра (тонкая линия). Как видно из временных диаграмм, диод открыт на короткое время заряда конденсатора, поэтому токи i ₁ и i ₂ носят ярко выраженный импульсный характер. Так как средний ток диода равен среднему току нагрузки, то мгновенное значение тока диода может в десятки раз превышать ток нагрузки.

Выходное напряжение при неограниченном увеличении емкости становится практически постоянным:

(7.2)

Ориентировочно значение емкости конденсатора фильтра может быть определено из следующих соображений. Длительность интервала, в течение которого диод заперт, а нагрузка питается за счет заряда, накопленного конденсатором, практически равна периоду напряжения сети Т _с = 1/ f _c. Так как величина пульсаций мала, то разряд конденсатора можно принять линейным. К моменту очередного открытия диода конден сатор разрядится на величину:

 

 

Величина Δ U представляет собой размах пульсаций выходного напряжения и является одним из исходных требований к выпрямителю. Тогда

(7.3)

В схеме с емкостным фильтром U _{обр. max} = 2 U_d ≈ 3 U ₂ .

Выпрямители с индуктивным фильтром применяются при сравнительно больших токах (более 1 А). Они позволяют устранить импульсный ток диода и особенно первоначальный бросок тока, который может возникнуть при заряде конденсатора в момент включения питания. Чаще всего в ИВЭП фильтр состоит из индуктивности и емкости (рис. 7.6). На входе фильтра должен быть включен так называемый нулевой вентиль VD2, который обеспечивает условия запирания выпрямительного диода VD1.

В отсутствие нулевого вентиля энергия магнитного поля индуктивности L _ф поддерживала бы ток вентиля после того, как напряжение на вторичной обмотке трансформатора поменяет знак, вследствие чего напряжение на входе фильтра в течение некоторой части периода было бы отрицательным; теоретически в предельном случае при L _ф = ¥ диод VD1 был бы всегда открыт и U_d = 0. На практике при включении питания напряжение на нагрузке нарастало бы крайне медленно. При наличии нулевого вентиля он открывается при отрицательном напряжении на входе выпрямителя, обеспечивая цепь тока индуктивности L _ф. Форма входного напряжения фильтра при этом соответствует кривой u_d на рис. 7.4, б.

Выходное напряжение выпрямителя определяется выражением (7.1). Форма тока вторичной обмотки при L _ф → ¥ приближается к прямоугольной.

Основными недостатками однополупериодной схемы являются высокий уровень пульсаций и их низкая частота (что требует громоздкого фильтра), подмагничивание трансформатора и плохое использование источника, который в течение половины периода работает в режиме холостого хода. Поэтому однополупериодные схемы применяют в маломощных выпрямителях, когда допускается большой уровень пульсаций и, как правило, нагрузка имеет емкостной характер.

В значительной мере эти недостатки устраняются при использовании двухполупериодных выпрямительных схем.

Используются две разновидности однофазных двухполупериодных схем: однофазная мостовая (рис. 7.7, а) и однофазная нулевая (рис. 7.7, б).

В однофазной мостовой схеме в одном из полупериодов вторичного напряжения, когда к аноду VD1 прикладывается положительное напряжение, ток протекает по цепи: вторичная обмотка – VD1 – R_d – VD4 – вторичная обмотка. В другом полупериоде открыты диоды VD3 и VD2, но ток через нагрузку протекает в том же направлении. В результате при работе на активную нагрузку форма выпрямленного напряжения имеет вид, показанный на рис. 7.7, в.

Выпрямленное напряжение

(7.4)

Ток вторичной обмотки синусоидален, подмагничивание трансформатора отсутствует. Частота пульсаций в два раза больше частоты питающей сети, поэтому номиналы параметров фильтра могут быть значительно уменьшены по сравнению с однополупериодной схемой.

В однофазной нулевой схеме диоды VD1 и VD2 открываются по очереди, в каждом полупериоде ток протекает по одной вторичной полуобмотке. Выходное напряжение определяется выражением (7.4), в котором U ₂ – действующее значение напряжения на одной вторичной полуобмотке. По сравнению с мостовой схемой нулевая - содержит вдвое меньше диодов и соответственно вдвое меньше потери напряжения на диодах, поэтому ее предпочтительно применять в низковольтных источниках (единицы вольт). Однако мостовая схема характеризуется лучшим использованием мощности трансформатора, поэтому она рекомендуется при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт. К тому же мостовая схема в принципе может применяться и без трансформатора.

При необходимости получения повышенных напряжений (до 1 – 2 кВ) может быть использована схема удвоения напряжения (рис. 7.8), которая представляет собой два последовательно соединенных однополупериодных выпрямителя, использующих одну вторичную обмотку. В течение одной полуволны конденсатор С1 заряжается через диод VD1 до амплитудного значения вторичного напряжения, в течение второй полуволны конденсатор С2 заряжается через диод VD2 до того же напряжения. Удвоение напряжения имеет место только при малых токах нагрузки, когда разряд конденсатора за период незначителен.

Для получения очень высоких напряжений (единицы – десятки кВ) применяются схемы умножителей напряжения, позволяющие увеличить выходное напряжение в произвольное число раз. На рис. 7.9 показана схема с умножением в шесть раз.

Во время одной полуволны конденсатор С1 заряжается через диод VD1 до амплитудного значения U _m входного переменного напряжения, в течение второй полуволны конденсатор С2 заряжается через диод VD2 до напряжения, равного сумме U _m и напряжения на конденсаторе С1, т.е. до удвоенного напряжения. Длину цепочки можно наращивать неограниченно, каждое добавление каскада из одного диода и одного конденсатора увеличивает коэффициент умножения на единицу. Частота пульсаций равна частоте сети. Напряжение на всех конденсаторах, кроме С1, и обратные напряжения на диодах равны 2 U _m. При нечетном числе каскадов входной ток имеет постоянную составляющую, вызывающую подмагничивание трансформатора, поэтому рекомендуется четное число каскадов.

При повышенных мощностях (обычно свыше 500 Вт) применяются трехфазные схемы выпрямления. Наиболее распространенными схемами являются трехфазная нулевая (рис. 7.10, а) и трехфазная мостовая (рис. 7.10, б).

Форма выпрямленного напряжения в трехфазной нулевой схеме в случае активной нагрузки показана на рис. 7.10, в (жирная линия). В каждый момент времени открыт один диод – тот, напряжение на аноде которого максимально. Поэтому к нагрузке на каждом интервале прикладывается одно из вторичных фазных напряжений, показанных тонкими линиями. Среднее значение выпрямленного напряжения

(7.5)

где U _{2ф m} – амплитуда вторичного фазного напряжения; U _2ф – его действующее значение.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна утроенной частоте сети. Нулевая схема характеризуется плохим использованием мощности трансформатора, сравнительно большим обратным напряжением на диоде и подмагничиванием трансформатора. Поэтому она не нашла широкого распространения.

Трехфазная мостовая схема (называемая также шестифазной схемой или схемой Ларионова) обладает наилучшим использованием мощности трансформатора, отсутствием подмагничивания, наименьшим обратным напряжением на диоде и высокой частотой пульсаций. Поэтому она применяется в широком диапазоне напряжений и мощностей. Форма напряжения на активной нагрузке показана на рис. 7.10, г. К нагрузке на каждом интервале прикладывается одно из вторичных линейных напряжений. Величина выпрямленного напряжения

(7.6)

где U _{2л m} – амплитуда вторичного линейного напряжения; U _2л – его действующее значение. Частота пульсаций в шесть раз больше частоты сети.

Формулы (7.4), (7.5) и (7.6) представляют частные случаи общей формулы

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период: U ₂ – действующее значение переменного напряжения, прикладывающегося к нагрузке.

Формулы (7.1) – (7.6) являются упрощенными и основаны на допущении об идеальности диодов и трансформатора. Поэтому их можно использовать лишь для ориентировочной оценки характеристик выпрямителей и требований к диодам. При проектировании выпрямителей расчеты следует выполнять по стандартным методикам, приведенным в технической литературе (например, /15/).