УПЦ

Выпрямители используются для превращения переменного напряжения в постоянное. Их схемотехника состоит в том, чтобы направить входной переменный ток таким образом, чтобы через выходную нагрузку он протекал только в одном направлении. Выпрямители бывают пассивные и активные. В пассивных выпрямителях используются приборы с односторонней проводимостью – диоды. В активных выпрямителях используются электронные коммутационные элементы (MOSFET, IGBT, биполярные), включаемые по определенному алгоритму с синхронизацией с полярностью входного напряжения. Поэтому они часто называются синхронными выпрямителями.

Часто выпрямитель устанавливается сразу после трансформатора. Это справедливо как для низкочастотных, так и для высокочастотных схем. Поэтому схемотехника выпрямителей будет представлена в связке с трансформатором и пока только с резистивной нагрузкой.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей.

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iн одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.
По мощности на выходе:

    Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
    Средней мощности – менее 100 кВт.
    Малой мощности – до 0,6 киловатт.

По фазности сети питания:

    1-фазные.
    3-фазные.

По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U2 за один период:

    Однотактные (имеют один полупериод).
    Двухтактные (два полупериода).

По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

    Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
    Неуправляемые. Используются диоды.

Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:

    Активно-емкостная.
    Активно-индуктивная.
    Активная.

Самая простая схема выпрямления (рисунок RECT.1). Всего один диод. В течение положительной полуволны диод открыт и напряжение прикладывается к нагрузке. Соответственно через нагрузку течет ток. Во время отрицательной полуволны диод закрыт, и ток через нагрузку не протекает. В результате максимальная амплитуда напряжения на нагрузке VR меньше амплитуды входного переменного напряжения VA на величину VF – прямого падения напряжения на диоде:

Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн (рисунок RECT.2) чередующихся паузами длительностью полпериода. Трансформатор нагружен только в периоды прямой проводимости диода. Максимальное напряжение на диоде равно удвоенному входному максимальному напряжению 2VA.

Преимущества:

- только один диод, минимальная сложность схемы, минимальная стоимость выпрямления;

Недостатки:

- высокие пульсации напряжения в нагрузке;

- подмагничивание сердечника трансформатора, неравномерная нагрузка на сеть (относится к низкочастотным трансформаторам, и импульсным двухтактным схемам) вследствие того, что мощность потребляется только в течение половины периода.

Где используется:

- в обратноходовых и прямоходовых однотактных преобразователях;

- в дополнительных цепях питания, имеющих существенном меньшую нагрузку по сравнению с основной.

Наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления (рисунок RECT.3).Четыре диода, включенные таким образом, что работают попеременно. В течение положительного полупериода ток проводят диоды VD2 и VD3, в течение отрицательного – VD1 и VD4. Таким образом, мостовой выпрямитель обеспечивает подключение нагрузки к источнику в течение всего периода переменного напряжения. Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн, следующих друг за другом (рисунок RECT.4). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину 2VF – сумму падения напряжения на диодах, поскольку в мостовой схеме ток проходит через два диода:

Преимущества:

- малые пульсации напряжения в нагрузке;

- обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

- нет необходимости в использовании хитрого трансформатора со средней точкой.

Недостатки:

- четыре диода, определенная сложность схемы,

- высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

Где используется:

- в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей при высоком выходном напряжении (более 15 В);

- в схемах с низкочастотным трансформатором;

- во входной цепи преобразователей с бестрансформаторным входом;

- в дополнительных цепях питания.

Основная схема выпрямления для малых выходных напряжений (12 В и менее). Особенность схемы состоит в использовании фактически двух выходных обмоток трансформатора, соединённых вместе так, чтобы напряжение на выводах обмоток относительно общей точки было противоположно по фазе (рисунок RECT.5). При этом в течение одного полупериода «работает» обмотка «1» с диодом VD1, а в другом полупериоде «работает» обмотка «2» с диодом VD2. При этом «полусинусоиды» поочередно складываются в результирующее напряжение на нагрузке, имеющее форму полуволн следующих друг за другом, как в мостовом преобразователе (рисунок RECT.6). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину VF – прямого падения напряжения на диоде:

Преимущества:

- малые пульсации напряжения в нагрузке;

- обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

- всего два диода, меньше в двухполупериодных схемах не бывает;

- высокая энергетическая эффективность, в том числе при малых выходных напряжениях.

Недостатки:

- использование хитрого трансформатора с отводом от средней точки или соединенных двух обмоток, кроме этого габаритная мощность трансформатора должна быть выше по сравнению с мостовой схемой;

- два диода, сравнительная сложность схемы подключения вследствие необходимости соблюдать фазировку обмоток трансформатора;

- высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

Где используется:

- в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей, в том числе при низком выходном напряжении (более 15 В);

- в схемах с низкочастотным трансформатором;

- в сильноточных и низковольтных цепях.

Особенность

В реальности амплитуды напряжений обмоток (и их мощности) могут несколько отличаться друг от друга. Это необходимо контролировать экспериментально.

Виды и устройство

Назначение выпрямителя

Устройство и структура выпрямителя

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Силовой трансформатор

Диодный мост

Устройство фильтрования

Стабилизатор напряжения

Классификация

Однополупериодный выпрямитель

Мостовой выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора