Краткие теоретические сведения

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное (точнее – в однополярное пульсирующее) [2].

Выпрямители бывают неуправляемые (на базе диодов) и управляемые (на базе тиристоров и транзисторов).

Для придания выпрямленному напряжению формы близкой к прямой в состав выпрямителей включаются сглаживающие фильтры, как правило, представляющие собой пассивные R - L - C цепи.

В случае необходимости, в состав вторичных источников питания включают стабилизаторы напряжения (линейные или импульсные), которые питаются выпрямленным напряжением и обеспечивают постоянство выходного напряжения источника в условиях колебания напряжения питающей сети и изменения тока нагрузки.

Характерной особенностью современных большого класса вторичных источников питания является использование принципа двойного преобразования, согласно которому первичное переменное напряжение стандартной электросети 220/380 В 50 Гц вначале выпрямляется, затем преобразуется в переменное (импульсное) напряжение высокой частоты (порядка 20 – 100 КГц), а затем вновь (после трансформации уровня) выпрямляется для получения требуемого постоянного напряжения. Данное техническое решение позволяет резко снизить массо-габаритные показатели вторичных источников питания, реализовать стабилизацию выходного напряжения без потерь мощности – т.е. обеспечить высокий к.п.д. (до 90-95%) устройства, а также реализовать функции защиты, регулирования и т.п. В подобных устройствах используется 2 типа выпрямителей:

- входные выпрямители, на вход которых поступает сетевое напряжение 220/380 В 50 Гц;

- входные выпрямители, на вход которых поступает импульсное напряжение высокой частоты.

Вместе с тем, продолжают активно использоваться классические выпрямители синусоидального напряжения, питаемые от вторичных обмоток (повышающих или понижающих) сетевых трансформаторов промышленной частоты. Типовые схемы однополупериодного выпрямителя и мостового 2-хполупериодного выпрямителя приведены на рисунках 4.1 и 4.2, соответственно [2].

Рисунок 4.1 Типовая схема однополупериодного выпрямителя: а – без фильтра; б – с емкостным сглаживающим фильтром

Рисунок 4.2 Типовая схема мостового двухполупериодного выпрямителя:  а – без фильтра; б – с емкостным сглаживающим фильтром

В однополупериодном выпрямителе без сглаживающего фильтра ток в нагрузке протекает в течение положительного полупериода входного напряжения (когда диод VD открыт) и имеет форму «половинок синусоид». Частота пульсаций (частота первой гармоники) выпрямленного напряжения и тока равна частоте сети.

Включение сглаживающего фильтра в виде конденсатора приводит к «сглаживанию» формы выходного напряжения – т.е. ток в нагрузке становится непрерывным, а его форма принимает вид волнистой линии. Это происходит за счет того, что в моменты времени, когда диод VD открыт – энергия сети идет не только на питание нагрузки, но и на подзаряд конденсатора С. Когда диод VD запирается – питание нагрузки осуществляется энергией, запасенной в С. Важно отметить, что чем выше емкость С, тем меньше временной интервал открытого состояния VD, но тем больше амплитуды протекающего через него (в этот интервал) прямого тока и приложенного к нему (в интервал, когда он закрыт)  обратного напряжения.

Важно отметить, что ток в питающей сети (трансформаторе) имеет однополярный характер, что приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора и ухудшает его к.п.д.

В целом, однополупериодные выпрямители обладают плохими техническими характеристиками и используются очень ограничено.

В 2-х полупериодном выпрямителе без сглаживающего фильтра ток в нагрузке протекает в течение, как положительного так и отрицательного полупериодов входного напряжения (через пары диодов VD 3- VD 2 и VD 4- VD 1 соответственно – см. рисунок 1) и имеет форму «половинок синусоид». Частота пульсаций (частота первой гармоники) выпрямленного напряжения и тока равна удвоенной частоте сети.

Влияние сглаживающего фильтра С в данном выпрямителе идентично рассмотренному выше. При этом, для получения одинакового «сглаживания», в данном выпрямителе требуемая величина емкости С может быть существенно меньше, чем в случае с однополупериодным выпрямителем.

Важно отметить, что форма тока в питающей сети (трансформаторе) имеет двухполярный симметричный вид, что благоприятно для работы сетевого трансформатора.

В целом, двухполупериодные схемы выпрямителей используются очень широко и являются основными в трансформаторных источниках питания промышленной частоты.

Любой выпрямитель характеризуется двумя группами параметров [3]:

1) энергетические - уровень выходной мощности, выходного напряжения, тока и К.П.Д.

2) дифференциальные – коэффициент пульсаций выходного напряжения, выходное сопротивление:

K п = U н~/ U н,                                                        (4.1)

т.е. коэффициент пульсаций равен отношению величины переменной составляющей выходного напряжения U н~ (амплитудное или действующее значение) квеличине постоянной составляющей выходного напряжения U н:

R вых = ( U нхх_ – U н_) / I н,                                           (4.2)

параметр, характеризующий жесткость внешней (нагрузочной) характеристики стабилизатора (чем меньше наклон прямой, тем больше жесткость).

Рисунок 4.3 Внешняя (нагрузочная) характеристика выпрямителя