2. Выпрямители

Схема простейшего выпрямителя совпадает со схемой последовательного амплитудного детектора. Из-за плохих показателей такие выпрямители используются редко, когда выпрямленный ток достигает всего несколько миллиампер, а требования к коэффициенту пульсаций — низкие. Наиболее распространены мостовые выпрямители, состоящие из трансформатора, диодного моста и фильтра нижних частот (рис. 66). Диоды в мосте соединены так, что при любом знаке переменного напряжения через нагрузку ток течет всегда в одном и том же направлении. При положительном ток течет через диоды VD2 и VD4, а при отрицательном — через VD3 и VD1.

Рис. 66

При анализе выпрямителей трансформатор представляется источником с ЭДС и внутренним сопротивлением . Внутреннее сопротивление трансформатора — условный параметр, состоящий из сопротивления вторичной обмотки и сопротивления первичной обмотки, пересчитанного во вторичную

₍₁₄₂₎

где K_TP — коэффициент трансформации.

Как и при анализе детекторов, вольтамперные характеристики диодов аппроксимируются ломаной прямой. Сопротивление открытого диода.

Выпрямленный ток течет через два диода, поэтому внутреннее сопротивление выпрямителя:

₍₁₄₃₎

Выпрямитель без фильтра. Если нагрузка активная, то в таком выпрямителе диоды открыты, когда ЭДС положительна. Поэтому выходное напряжение:

₍₁₄₄₎

представляет последовательность косинусоидальных импульсов. Здесь I_m — амплитуда тока в нагрузке. Постоянная составляющая этого напряжения:

₍₁₄₅₎

Здесь – выходное напряжение ненагруженного выпрямителя; — постоянная составляющая тока нагрузки.

Рис. 67

Рис. 68

Последнее уравнение представляет собой нагрузочную характеристику выпрямителя (прямая линия 1 на рис. 67). Выходное напряжение уменьшается только за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении R_i;.

Ток через диоды течет только половину периода, поэтому среднее значение тока, текущего через диод, равно I₀/2, напряжение на каждом закрытом диоде равно амплитуде напряжения u₂.

Следовательно, диоды для выпрямителя должны подбираться так, чтобы допустимое обратное напряжение было U_{обр. доп}≥E, допустимый средний ток I_{0 доп}≥I₀/2, а допустимый импульс тока I_{н. доп}≥πI₀/2≈1.6I₀.

Пульсации выпрямленного напряжения этого выпрямителя велики. Коэффициент пульсаций достигает единицы, поэтому такой выпрямитель непригоден в качестве источника питания радиоэлектронных устройств.

Выпрямитель с емкостной нагрузкой. Рассмотрим выпрямитель без фильтра, в котором параллельно нагрузке R_H подключен конденсатор С, изменяющий режим работы диодов. Импульс тока, протекающий через диоды, заряжает конденсатор. Поэтому ток через диоды течет только до тех пор, пока ЭДС e(t) превышает напряжение на нагрузке u_выхt, т. е. при — θ₁< t<θ₂, где θ₁ и θ₂ — углы отсечки. Когда , диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Разряд продолжается до тех пор, пока закрыты остальные два диода, то есть пока t<π- θ₁.

В общем случае углы отсечки θ₁ и θ₂ различны. Для упрощения анализа предположим, что θ₁= θ₂= θ. Фактически такое условие возможно только при очень больших емкостях, когда R_HC>>1 и R_H>>R_i При этом условии импульсы тока диода имеют косинусоидальную форму. В отличие от детектора импульсы тока через нагрузку протекают оба полупериода, поэтому постоянная составляющая тока нагрузки равна сумме постоянных составляющих токов диодов (I₀=2l_D). Угол отсечки токов диодов при этом определяется формулой:

₍₁₄₆₎

Нагрузочная характеристика выпрямителя с емкостной нагрузкой показана на рис. 65 (кривая 2). Она в отличие от нагрузочной характеристики при активной нагрузке—нелинейная. При малом токе нагрузки выпрямленное напряжение приближается к амплитуде ЭДС Е, а с ростом тока асимптотически приближа­ется к нагрузочной характеристике при активной нагрузке (кри­вая 1).

Коэффициент пульсаций такого выпрямителя оценивается приближенной формулой:

₍₁₄₇₎

справедливой, если оказывается Если же это условие не выполняется, то увеличивают С.

Как видно, коэффициент пульсаций выпрямителя при емкостной нагрузке значительно меньше коэффициента пульсаций при активной нагрузке. Емкость, накапливая заряд, сглаживает пульсации, поэтому такой выпрямитель иногда называют выпрямителем с емкостным фильтром.

В реальных условиях углы отсечки θ₁ и θ₂ (рис. 68) не могут быть точно одинаковыми, так как ток диода заряжает конденсатор и диод закрывается при большем напряжении, чем открывается. Вследствие этого θ₁ и θ₂, форма импульсов тока становится некосинусоидальной, их максимумы по фазе не совпадают с максимумами переменного напряжения, поэтому появляется сдвиг по фазе между напряжением и первой гармоникой тока выпрямителя и уменьшается коэффициент мощности ( ).

В момент включения выпрямителя незаряженный конденсатор представляет короткое замыкание, поэтому амплитуда импульса тока включения может достигать величины а диоды для такого выпрямителя должны подбираться с запасом по допустимому току.

Рис. 69

Выпрямитель с фильтрами. Фильтры на выходе выпрямителя включаются для уменьшения коэффициента пульсаций. Применяют CLC- и LC-фильтры (рис. 69, а , б).

Режим работы выпрямителя с CLC-фильтром аналогичен режиму выпрямителя с емкостной нагрузкой. Поэтому наличие дополнительной LC-цепи учитывается только при расчете коэффициента пульсаций:

₍₁₄₈₎

где — модуль передаточной функции LC-цепи на частоте 2 (на частоте первой гармоники напряжения пульсаций).

Элементы L и С подбирают так, чтобы резонансная частота LC-цепи была значительно ниже частоты 2 (1/ <2 , поэтому:

₍₁₄₉₎

Индуктивности дросселей, используемых в выпрямителях, обычно велики ( L>>R), поэтому выпрямитель с LC-фильтром работает так же, как и выпрямитель без фильтра с активной нагрузкой. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения выражается приведенной выше формулой, а коэффициент пульсаций:

₍₁₅₀₎

примерно в раз больше, чем при использовании CLC-фильтра.

Амплитуды импульсов тока диодов незначительно превышают постоянную составляющую тока. В этом заключается основное преимущество выпрямителя с LC-фильтром по сравнению с выпрямителем с CLC-фильтром. Поэтому выпрямители с LC-фильтром используют в тех случаях, когда необходимы выпрямительные элементы с ограниченной амплитудой импульсов тока, например тиристоры.

Управляемые выпрямители. Выпрямленное напряжение можно изменять с помощью регулируемого трансформатора или реостата. Однако такие методы управления напряжением значительно снижают надежность КПД. От этих недостатков свободны выпрямители с управляемыми нелинейными элементами—тиристорами. Схема простейшего тиристорного выпрямителя показана на рис. 70, а.

Тиристоры включают вместо диодов. Тиристоры открываются в моменты поступления управляющих импульсов на управляющие электроды от устройства управления, а закрываются тогда, когда ток становится равным нулю.

Рис. 70

Если управляющие импульсы сдвинуты по фазе на угол а относительно фазы выпрямляемого напряжения (рис. 70, а, б), то постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

₍₁₅₁₎

Изменяя угол можно менять выпрямленное напряжение, а также постоянные напряжение и ток, амплитуду и фазу переменных составляющих, поэтому и коэффициент мощности зависит от :

₍₁₅₂₎

Однако если изменяется от 0 до π/2, то напряжение U_{вых 0}(α) ' изменяется от 2E_m/π до E_m/π, a cos φ изменяется от 1 до 0,844 и экономические показатели управляемого выпрямителя практически остаются такими же, как неуправляемого.

Мощные выпрямители. Они питаются от сети трехфазного тока. Схема такого выпрямителя показана на рис. 71, а, а временные диаграммы напряжения, поясняющие его работу,— на рис. 71, б. Фазы напряжений e_A, e_B и e_C различаются на 2π/3. Через диоды течет ток только тогда, когда переменное напряжение рассматриваемой фазы превышает напряжения остальных фаз, т. е. в пределах изменения фазового угла 0-π/3, π/3-2π/3, 2π/3-π, … .

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

(153)

Множитель перед E_m в (153) появился из-за того, что напряжение, измеренное между соседними фазами трехфазного тока, в раз больше напряжения между одной фазой и нулевым проводом.

Рис. 71

Основные достоинства трехфазных выпрямителей — больший КПД, меньший коэффициент пульсаций. Фильтрация пульсаций напряжения трехфазного выпрямителя проще, так как их частота в три раза выше, чем в однофазных выпрямителях.

В управляемых трехфазных выпрямителях вместо диодов включаются тиристоры и добавляют устройство управления, которое вырабатывает импульсы, открывающие тиристоры.

Трехфазные выпрямители применяют в устройствах питания радиопередающих устройств, тяги транспортных средств и промышленных установок.