Краткие теоретические сведения
Выпрямитель ─ это статическое устройство, которое используется
для преобразования переменного тока в постоянный.
Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра ( рисунок 30 ).
Uвх U2 Uвых
Рисунок 30 ─ Структурная схема выпрямителя
Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение Uвх к значению U2 , которое необходимое для выпрямление; електрически отделяет нагрузку Н от сети; изменеяет число фаз переменного тока.
Вентильная группа ВГ превращает переменный ток в пульсирующий однонаправленный.
Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного тока (напряжения) к значению, необходимому для работы нагрузки Н.
Трансформатор и сглаживающий фильтр не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.
Основными параметрами, которые характеризуют качество работы выпрямителя, являются:
─ среднее значение выпрямленного ( выходного ) напряжения Vср и тока Iср:
; ,
где Т ─ период изменения выходного напряжения ( тока );
─ частота пульсации выходного напряжения ( тока ) :
;
Р ─ коэффициент пульсации, который равняется отношению амплитуды напряжения пульсации к среднему значению выходного напряжения
.
Работа вентильной группы выпрямителя основывается на свойствах вентилей ─ нелинейных элементов , которые пропускают ток преимущественно в одном направлении.
Полупроводниковые диоды обычно используют как вентили.
Различают однополупериодное ( ) и двухполупериодное ( ) выпрямление переменного однофазного тока.
В этой работе используют однополупериодный и мостовой двухполупериодный выпрямитель.
Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 31, а.
Из диаграмм мгновенных значений ( см. рисунок 31, б) видно, что ток в нагрузке имеет пульсирующий характер.
В первый полупериод, если потенциал Uа большее Uв, вентиль открывается и в нагрузке появляется ток. Сопротивление вентиля в открытом состоянии равняется нулю, то есть все напряжение приложено к нагрузочному резистору [ см. кривую на рисунке 31, б ].
Во второй полупериод вентиль закрыт, его сопротивление близко к бесконечности. Это означает, что все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к сопротивлению вентиля.
Более эффективными являются двухполупериодные выпрямители. В них выпрямляются обе полуволны переменного тока.
На рисунке 32 дана схема мостового выпрямителя в качестве примера двухполупериодного выпрямления, там же представлена временная диаграмма токов и напряжений.
Для сглаживания ( уменьшения пульсаций ) выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры. Для этого с целью обеспечения фильтрации последовательно с нагрузкой включают элементы , которые имеют большое сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока и малое - для постоянной, а параллельно с нагрузкой используют элементы, которые имеют малое сопротивление для переменной и большое - для постоянной составляющей.
За элементы, которые последовательно включают, берут индуктивную катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель) или параллельный LC - контур, который настроен в резонанс на частоту пульсаций.
За элементы, которые включают параллельно погрузке, берут конденсатор большой емкости или последовательный резонансный LC- контур. Простой фильтр - это есть один конденсатор или один дроссель.
VD1 VD1
VD2
u2 Rн u2
VD4
b VD3
a a
u2 u2
wt
wt
ivd1,vd3
ivd1 ivd1 wt uvd1,vd3 wt
,
uvd1 uvd1 ivd2,vd4
uvd2,vd4 wt
iн
uн wt
uн, wt
б б
Рисунок 31 – Схема (а) и временные Рисунок 32 – Схема (а) и диаграммы токов и напряжений (б) временные диаграммы (б) однополупериодного выпрямителя токов и напряжений
двухполупериодного выпрямителя
Рассмотрим работу простых фильтров в постоянном режиме, то есть спустя некоторое время после включения напряжения.
На рисунке 33 приведена схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.
Ток в диоде VД появляется тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора u , больше напряжения на конденсаторе , что соответствует интервалам времени и ( рисунок 33,б).
В это время конденсатор С заряжается до момента времени , когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе , диод VД закрывается, а конденсатор разряжается на нагрузочный резистор .
К закрытому вентилю в это время прикладывается напряжение , максимальное значение которого равняется почти двойному значению .
К моменту времени напряжение снова становится большим , диод VД снова становится открытым и ток начинает заряжать конденсатор С і дал так далее.
Таким образом, ток нагрузки , который без фильтра отсутствовал в отрицательных полупериодах напряжения , теперь появляется за счет разряда конденсатора С. Это уменьшает пульсацию. Емкость конденсатора выбирают такой, чтобы выполнялось условие .
Наличие индуктивных элементов в цепи переменного тока приводит к отставанию ( во времени ) изменения тока от изменения напряжения.
На рисунке 34,а изображена схема однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром.
Во время положительного полупериода по мере возрастания напряжения (рисунок 34, б) ток в цепи возрастает и магнитный поток дросселя увеличивается. При этом в обмотке дросселя возникает ЕДС самоиндукции ,которая по закону Ленца противодействует возрастанию тока , то есть направлена противоположно приложенному напряжению .
До тех пор, пока ток возрастает (что соответствует накоплению энергии магнитного поля в сердечнике дросселя ), ЕЛС самоиндукции имеет отрицательный знак.
Однако, если ток начинает уменьшаться, ЕДС самоиндукции становится положительной, совпадает по направлению с приложенным напряжением и поддерживает ток в цепи.
За счет энергии магнитного поля, которая накоплена в сердечнике дросселя, ток в цепи будет протекать и на протяжении отрицательного полупериода.
Форма кривой выпрямленного напряжения повторяет форму кривой тока.
VD VD L
ivd ivd e
u2 C Rн u2 Rн
а а
u2 u2
Du uc=uн e
wt wt
t1ivd t2 t3ivd t4 ivd ivd
б б
Рисунок 33 - Схема (а) и графики Рисунок 34 – Схема (а) и графики
мгновенных значений (б) токов и мгновенных значений (б) токов и
напряжений однополупериодного напряжений однополупериодного выпрямителя с ёмкостным выпрямителя с индуктивным
фильтром. Фильтром.
Пульсация выпрямленного напряжения и тока в рассматриваемой схеме уменьшается в сравнении с пульсациями в схеме без индуктивности.